歷史上第一次可控核聚變實驗，實現了“核聚變點火”(fusion ignition)
【2022.12.13】消息，美國能源部周二宣布，其下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)國家點火設施的一個團隊進行了歷史上第一次可控核聚變實驗，實現了“核聚變點火”(fusion ignition)，創造了歷史。這意味著人類在可控核聚變實驗中，首次首次超出了聚變閾值，實現了大于1的能量增益（也即從聚變中產生的能量，比用于驅動它的激光能量更多）。
美國能源部長 Jennifer Granholm 指出，這次實驗的成功，是在核聚變研究，在核技術，在能源史上都極為重要的里程碑事件。
而對于本次實驗的成功，Budil 博士對高能激光所扮演的地位給予了幽默的評價：
“就像大家知道的那樣，我們的實驗室簡稱 LLNL，其實是‘Lasers, Lasers, Nothing but Lasers’ 的意思……”
LLNL 主任 Dr. Kim Budil
白宮首席科學顧問 Arati Prabhakar 博士，更是感慨萬千：
“在我19歲的時候，我就在這個實驗室實習過，當時他們給了我一根‘激光筆’玩，那個夏天我過得非常充實。
后來我離開了這里，去做了其它更不值得一提的工作。但我的同事們，以及他們的后輩和后輩的后輩，卻從未停止嘗試……
他們獲得過驕人的成績，也歷經了無數令人難以置信的挑戰和痛苦——今天的我們都已經白了頭發，但他們從未放棄這一目標，直到上周……我相信這是一個關于‘堅持’的最佳例證。”
美國能源部稱，12月5日，LLNL核聚變實驗釋放的能量超過了輸送給目標的激光能量，跨越了核聚變點火的閾值。
為了實現聚變點火，科學家使用了總計192束高能激光，射向裝有氘﹣氚（讀作dāo-chuān）燃料球的環空器。
環空器 (hohlhraum) 是一種圓筒形器皿，頭尾兩端開孔，內壁涂有黃金等特殊涂層。在下圖中，美國核安全局副局長 Marvin Adams 展示了實驗所用的環空器（同款）。
注意，環空器其實并非他手中的“玻璃杯”，而是在里面裝著的另一個小筒，大概只有手指指節的大小，如他的左手所示：
在 NIF 的實驗中，科學家將燃料球裝在環空器內并進行加壓，然后通過環空器兩端的孔洞射入激光，照射環空器的內壁。
特殊涂層被加熱到大約300萬℃的高溫，發出強烈的 X 光束，進而照射在燃料球上。
燃料球的外層被X光照射，產生爆裂。其反作用力會以震波的形式繼續向內部傳播，使得內部的氘﹣氚元素形成高壓高溫，產生自發性的燃燒，導致內爆（能量和物質快速對稱地向內聚合），并連鎖觸發聚變反應。
——以上的過程，就是高能量慣性約束聚變的基本過程。它的用時極短，只有大約幾十甚至上百萬分之一秒。它的尺度也很小，畢竟燃料球只有“一枚花椒粒”那么大。
但是，也正是在這個極短的過程中，這個環空器內，其實模擬了一顆微小的恒星。
接下來，讓我們來深入淺出地了解一下，這次意義無比重大的可控核聚變實驗，這場長達60年的追逐，到底是怎么一回事。
這樣的實驗，在 NIF 并非第一次進行。事實上，該實驗室在過去已經進行過“無數次”可控聚變實驗了。
而在過去，無論是 NIF/LLNL，還是歐洲的公立研究機構，以及全世界各國各種各樣的私營研究機構，進行的所有可控聚變實驗，都從未實現過盈虧平衡——說白了，就是“為了發電，反而用了更多的電”。
美國知名科普作者、天體物理學家 Neil deGrasse Tyson 表示：
“你獲得的能量比你投入的能量更多——我們終于來到了這一天。”
核聚變研究從上世紀50年代就已經開始，但進展一直非常緩慢（以至于過去隨便一點小成績都值得大書特書）。在過去，最大的挑戰是高溫問題難以解決。
具體來說，科學家需要在實驗室環境內創造出像太陽那樣的極高溫、高壓的環境，才能讓燃料加熱到離子化產生聚變。然而一般容器無法應付如此高的溫度，需要對容器和反應進行“約束”，放置離子溢出容器。
就是聚變產生的能量，比觸發聚變所消耗的科學能量更高。也就是說，用這種做法來產生能源，值了！
具體來說，實驗總計使用了大約300兆焦的電能，聚焦到高能激光束的輸出達到了2.05兆焦，而通過科學的觀測手段取得的實驗結果顯示，瞬時聚變產生的能量達到了3.15兆焦。
產生的能量，除以激光輸出的能量，結果大于一，這種情況在科學上稱為“科學能源盈虧平衡” (scientific energy breakeven)。
大家可能還記得，我們在前一小節提到，NIF 實驗人員對激光照射反應邏輯和對環空器的設計，都是為了提高聚變反應的效率，讓燃料球“內爆”的再快一點。
為什么要提高效率？因為如果效率能夠超過某個閾值，就會出現一種極為特殊的情況：產生的能量超過輸入的能量，也即實現大于1的能量增益（正能量增益）
這樣的情況，在過去難以實現。科學家們花了整整70年，距離這個目標卻一直非常遠：比如在2013年10月15日，NIF 的某一次前序測試才勉強實現了0.0078的能量增益，比正能量增益的1/125還不如。
而在十年后，NIF 終于跨過了正能量增益這一里程碑：在不到10納秒（1秒=十億納秒）的時間里，整個燃料球完成了它的聚變反應，并實現了超過1的能量增益——這當然是件非常值得令人興奮的事情。