75年来，在地球上重现太阳般的核聚变一直是一个梦想。为此，全球各地的科学家和工程师团队已经在各种聚变方法上花费了数百亿美元，不过却长久难以达成“净能量收益”的里程碑。
不过，直到一年前，这一切都改变了。
2022年12月5日，在劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）里，世界上最大、能量最高的激光器，发射192束激光束并指向一个胡椒大小的目标，于是一个微小的“太阳”在地球上产生了。在激光向目标发射2．05兆焦耳后，该实验通过产生3．15兆焦耳的能量输出——这是几十年来的一项重大科学突破——其产生的聚变能量，比点燃聚变燃料所需的激光能量还要多。
再次刷新激光能量极限
值得欣喜的是，近日美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）又创造了激光能量的新纪录——首次在点火目标上发射了2．2兆焦耳（MJ）的能量。
这项新报道的实验于10月30日进行，产生了3．4兆焦耳的聚变能，实现了点火，并产生了NIF有史以来第二高的中子产量。
国家点火装置（NIF）主任Gordon Brunton表示：“这一创纪录的激光能量水平是一项令人难以置信的成就，经过多年的努力才得以实现。而这也标志着我们第四次成功地在NIF上演示了聚变点火。这项工作是实验室使命的基础，新的能力能够支持国家核安全管理局的库存管理计划，并有望使我们更接近聚变能源的未来。”
2022年12月5日，LLNL首次实现了聚变点火。第二次是在2023年7月30日，在受控聚变实验中，NIF激光器向目标输送了2．05兆焦耳的能量，产生了3．88兆焦耳的聚变能输出，这是迄今为止实现的最高能量收益。2023年10月8日，NIF激光器第三次实现聚变点火，激光能量1．9 MJ，聚变能产出2．4 MJ。
LLNL迄今已四次在NIF上实现聚变点火（图片来源：LLNL）
核聚变的关键进展
“我们正处于一个陡峭的性能增长曲线上，”NIF和光子科学激光科学与系统工程组织的联合项目主任Jean－Michel Di Nicola表示：“增加激光能量，可以给我们更多的余地，来解决诸如燃料舱缺陷或燃料热点不对称等问题。更高的激光能量有助于实现更稳定的内爆，进而实现更高的能量产出。”
激光能传递这么大能量的能力是毋庸置疑的。而挑战在于，如何保护NIF珍贵的光学器件，使其免受碎片的破坏。NIF的运营经理Bruno Van Wonterghem表示：“激光本身能够在没有对激光进行根本性改变的情况下产生更高的能量。我们做的这一切都是为了最大限度地控制损失。毕竟如果能量太大而没有适当的保护，你的光学系统就会被炸成碎片。”
NIF管理着世界上唯一一个运行在损伤阈值以上的激光系统，这一壮举在一定程度上得益于所谓的光学循环回路。
更强的激光，更优的表现
2023年6月完成的两项重大缓解措施，对于向目标提供2．2 MJ的激光能量至关重要——在NIF三分之二的光束线上使用熔融二氧化硅碎片屏蔽，并在32条下半球光束线上安装金属屏蔽，根据光束线的不同，将碎片引起的损伤率降低了10－100倍。由于重力的作用，这些较低光束线的光学器件接收到的来自靶室的碎片最多。
其他改进包括新的抗反射涂层、蒸汽六甲基二氮杂烷（HMDS）处理和光学回收回路容量的增加。一种新的缓解剂——灰边阻断剂——解决了科学家们尚未发现的一个问题。
“有一部分光束的表现不如其他光束，”Di Nicola表示，“我们发现，如果我们在光束线的一个边缘投下阴影，从根本上降低激光能量密度，这些光束线表现得更好。我们仍然不太清楚问题的根源，但将来会积极调查这个问题。”
对于研究世界上能量最高的激光系统——NIF的科学家和工程师来说，解开谜团是自然而然的事情。OMST首席代表Tayyab Suratwala表示：“我们对激光损伤进行了仔细的研究，并对确定的缓解措施进行了建模和测试。然而，每次我们提高激光能量，我们都进入了前所未有的领域，揭示了新的损伤机制。”
光有更多的能量是不足以维持国家科学研究所令人难以置信的科学突破纪录的。Di Nicola：“你需要有控制和技巧地挥动那把更大的锤子。激光脉冲的持续时间只有十亿分之一秒，所以你需要非常精确地让它恰到好处。”
为此，该团队最近完成了高保真脉冲整形（HiFiPS）系统的部署，该系统可以实现更精确和准确的脉冲整形。HiFiPS是一个酝酿多年的项目，能够在内爆中实现更好的功率平衡和对称控制。
在另一项改进中，该团队翻新了设备的光纤，使其更能适应反复的中子暴露。这些光纤用于精确测量传送到目标的激光脉冲。翻新后的信号强度提高了10－100倍，使研究人员能够继续“看到”激光的性能。
对未来有何期许？
目前，激光器已经提供了2．2兆焦耳的激光能量。研究小组又回到了研究阶段，他们在第一次产生聚变点燃的实验后进行了同样的过程。
Suratwala表示：“我们正在研究光学、评估损害，并了解我们可以多频繁地使用这种新能力。与此同时，我们正在庆祝这一重大成就。这是LLNL内部一个庞大团队和许多外部合作伙伴多年努力工作的结果。”