编者按：自1972年Nuc++kolls等人首次提出惯性约束聚变 (ICF) 的想法以来，惯性聚变界一直致力于突破点火判据。2021年8月8日，Lawson点火判据终于在北加州国家点火装置(niF)实验室达成。 编号N210808的内爆实验从1.9兆焦的激光能量产生了1.35兆焦的聚变能量，并且根据几个点火指标似乎已经越过了热力学不稳定性的临界点。本周，nature和Nature Physics刊文对其相关技术进展进行了报道。
国家点火装置内爆示意图
<一>国家点火装置：hohlraum黑腔聚变研究从根本上旨在创建一个产生比创建它所需能量更多的能量的系统，这是能源应用的必要条件； 在实践中，聚变反应必须是自我维持的，具有自热超越损失机制，称为“点燃” 。 这种条件在包括恒星核心、新星和 1a 型超新星在内的天体物理物体以及热核武器中都达到了。
实验室的点火需要将燃料加热到难以置信的高温，在那里它变成“等离子体”，很容易发生聚变反应，同时还要控制能量损失。 在过去的几十年里，人们开发了几种方法来加热和限制等离子体，其中大多数采用最容易实现点火的氘氚 (DT) 燃料。 等离子体约束的主要方法是“惯性”，以及“磁场”。
国家点火装置便是基于“惯性约束”的聚变装置：
它包含192 束激光束（440 万亿瓦的激光功率），这些激光束排列成两个锥体--一个指向黑腔腰部的内锥体和一个指向末端附近的外锥体；它们通过激光入口孔进入一个铅笔橡皮大小的金和铀制成的叫做“hohlraum”的黑腔并撞击黑腔内壁以产生X射线。
这个强大的X射线辐射浴加热位于黑腔中心的燃料胶囊。当针头大小的球形燃料胶囊的外部被加热时，飞离表面的原子产生的力使胶囊和燃料以近400公里/秒的速度向内内爆，并对中心的热燃料等离子体进行机械工作。 这种等离子体的条件达到近亿度，压力达到数千亿大气压，从而实现DT聚合反应。
国家点火装置激光室
<二>国家点火装置：DT燃料胶囊DT燃料胶囊位于hohlraum黑腔的中部：
1，它大约1毫米大小；
2，它的外壳是80微米厚的超硬碳HDC层，内部是55-65微米的DT燃料冰层和1000微米左右的DT蒸汽；
3，它内部大约有200微克的氘氚燃料。
DT燃料胶囊的内爆效率是所有设计的关注点。
DT内爆黑腔和燃料胶囊
<三>国家点火装置：HYBRID-E设计国家点火在发展历史上出现多套迭代设计，而最新实现突破的设计被称为HYBRID-E。
它是在此前的设计基础上做了大幅度的修正：
1，内腔反射壁结构的优化，提升激光转换成X射线效率；
2，增加了燃料胶囊的尺寸，提升内爆效率；
3，发展精细的激光波长调节技术，提升内爆的对称性。
内腔结构设计HYBRID-E:内腔辐射的提升和燃料胶囊尺寸的增加
虽然增加包含更多燃料的燃料胶囊尺寸，能够达到更高的压缩和约束。 但是由于激光能力是固定的，增加内爆尺寸并非易事。 将内爆尺寸和激光驱动器一起缩放更直接。 为此，团队设计了更有效的辐射池并在光束之间传输激光能量，以控制内爆的形状并保持其球形。
团队还做出了很大努力来平衡有效加热和压缩燃料所需的其他内爆特性。
最后，对激光传输的质量、包含燃料的金刚石胶囊的质量以及插入胶囊中填充燃料的管子的质量进行了改进。
基于激光波长的微调：1埃的微调
<四>国家点火装置：HYBRID-E设计下优化的内爆模式最后，团队获得了优化的内爆模式，获得了前所未有的高效内爆模式
优化的内爆模式：左图，内爆不对称；右图，内部对称，提升内爆效率
DT反应内爆时，热点内的聚变反应产生一个α粒子（氦核）和一个中子。 产生的中子数量表征了聚变过程的程度。为了发生点火，必须存在足够的 α 粒子以产生在热点中引发进一步聚变反应所需的热量。
在下面这张2012年到2021年初期间，DT点火内爆实验中热点能量和中子产额的关系图上，可以看到其中表现最好的发射发生在 2020 年和 2021 年（红点表示HYBRID-E内爆）。虽然不是唯一重要的变量--高热点压力也很重要--但图表显示，将热点能量加倍会使产量增加四倍，这表明热点能量对 NIF 内爆成功的重要性。
图中的2021年8月8日的 Hybrid-E 内爆实验数据点（内爆编号N210808）展示了它的聚变效能的提升幅度。
DT内爆实验中热点能量和中子产能的关系：2021年8月8日的突破点
内爆后的燃料舱
<五>国家点火装置：可自持燃烧等离子体的里程碑我们尝试去诠释这一结果的物理意义：
通常，在在托卡马克（磁约束的主要方法）中，一旦通过电阻加热产生等离子体放电，外部电源（例如射频天线）会在等离子体进入聚变条件时提供额外的等离子体加热。
而惯性约束中，由于192条激光辐照到黑腔内壁产生的X射线只有10-15%被燃料胶囊吸收，所以这种“间接驱动”方案的能量利用率非常低。
下面这是燃料胶囊能量耦合效率的简化流程图。其中显示：激光经过红外波长到紫外波长转换之后，它损失了大约一半的激光原始能量。 当光线到达黑腔时，它会加热内壁并产生压缩聚变燃料的 X 射线，消耗1.9兆焦耳紫外线的一半以上。 在考虑到通过激光入口孔、激光-等离子体相互作用、反向散射以及其他因素损失的情况 X 射线能量后，因而在早期的实验中，胶囊仅吸收了约150-270千焦耳，而仅约10千焦耳最终出现在聚变燃料中。
黑腔内壁产生的X射线只有10-15%被燃料胶囊吸收
尽管国家点火装置是世界上最大、能量最高的激光系统，但该设施的 192 束激光束中的几乎所有能量在到达燃料舱之前都会因波长转换、X 射线产生、反向散射和其他因素而损失掉。 热点中的能量集中是获得高水平聚变性能和达到点火所需条件的关键之一。
自持加热示意图
惯性约束的能量描述是这样的：激光能量Q1，燃料胶囊的接收能量q2，以及DT内爆热点的接收能量q3，内爆热点的输出能量是Q4。
国家点火装置定义的节点是：Q4/Q1大于1。
而目前实现达到的是：Q4/Q1达到0.75。
但是此次内爆的Q4/Q3达到50倍；Q4/Q2也达到6倍。
也就是说惯性约束的内爆热点已经实现了自持燃烧。这是历史上的第一次。
<六>国家点火装置：此次进展的突破性数据我们把2021年8月8日的Hybrid-E 内爆实验和过去10年的所有数据放在一起对比，更能理解它的突破性意义：
1，在过去十年，国家点火装置进行了171次DT内爆实验，而HYBRID-E的最新内爆，实现了聚变能量的指数级增加，达到1.35兆焦耳。
2，此次结果使得内爆热点压力增加至2倍，而内爆热点能量增加至6倍，因而相比此前十年的数据，大幅度超越了点火临界判据。
下图是在HYBRID-E之前的数据，很明显，当时最好的数据来自HDC项目，也依然没有突破点火临界点！
此前十年的内爆数据
当然，国家点火装置NIF的里程碑式目标是聚变反应产生的能量超过驱动内爆所需的激光能量，而这次并没有达到100%，而是70%。因此这个突破被准确地描述为“首次展示自持核聚变”--它的提升的幅度的确令人感到震惊。
<七>国家点火装置：HYBRID-E点火团队Hybrid-E 团队成员
HYBRID-E 团队成员（左起）：David strozzi、Laurent Divol、Omar Hurricane、Chris Young、Annie Kritcher、michael Stadermann、Debbie Callahan、Alex Zylstra、Denise Hinkel、art Pak、Riccardo tommasini 和 Dan Clark。 未显示：Dan Casey、Chris Weber、Joe Ralph、Kevin Baker、Tilo Döppner 和 Sebastien Le Pape。
这是一个相当年轻的团队，站在第二排左手边第三位的便是Annie Kritcher博士。她是HYBRID-E 的设计负责人，集成黑腔建模团队负责人，以及设计物理线组负责人。
Annie博士2009年获得加州大学伯克利分校核工程博士学位，之后在劳伦斯利弗莫尔国家实验室开始博士后研究。她的主要工作包括评估内爆模式的不对称性，烧蚀材料的比较，以及拓展越来越多的ICF内爆规模。正是她的工作引领了这次里程碑式的突破。
<八>国家点火装置：核诊断团队如此复杂庞大的科学工程，为了获取有意义的数据，需要大量的核心的关键核诊断能力，而每一项都包含巨大的技术挑战。
国家点火装置有一个顶尖的核诊断团队，保证了Hybrid-E团队能够获得他们设计方案每次的内爆数据能够被准确的检测到。
国家点火装置核诊断团队
这些诊断仪器包括中子飞行时间 (nTOF) 探测器 、飞行时间仪 (NITOF) 、Well-NAD 核激活探测器、磁反冲能谱仪 (MRS) 、GRH诊断，来自全美最优秀的设计诊断技术开发团队。
例如，洛斯阿拉莫斯国家实验室的Hermann 的团队负责伽马反应历史诊断，提供爆炸时间和燃烧持续时间。 伽马反应历史仪器以低至十皮秒的时间分辨率测量反应。洛斯阿拉莫斯的高级成像团队负责人为国家点火装置实验提供了3D热点形状。
<结语>国家点火装置：距离商用还很遥远在了解到以上技术方案的细节后，我想大家都可以直观地理解到：
国家点火装置的突破性进展，大幅推进了惯性约束聚变领域的发展。不过当下，这种突破，距离工程化、商用化还很远--它更多的是实验物理学的范畴。
Annie博士认为：
这项工作对聚变界极为重要，因为这是实验室中首次展示自持核聚变。 了解点火周围的等离子体条件将为许多聚变概念提供启发，并为在实验室中研究高能量密度等离子体开辟新的实验机制。 此外，该平台将能够对用于认证国家核武器库存的模型进行基准测试，并成为在极端条件下测试材料损坏的宝贵平台。
这是未来清洁能源设施的重要首次演示，旨在产生比引发聚变反应所需的更多能量。 这个发现只是一个开始，需要做更多的工作才能使其成为聚变能的实际应用。
下节将介绍中国惯性约束聚变的研究进展。
参考资料：https://ners.engin.umich.edu/2021/09/15/annie-kritcher-leads-revolutionary-nuclear-fusion-experiment/https://www.nature.com/articles/s41567-021-01485-9?CJEVENT=6f5823837f0611ec8048000c0a1c0e13https://www.nature.com/articles/s41586-021-04281-whttps://mediacentral.princeton.edu/id/1_lvgdlk2y
