今年，科学家们在长达数十年的缓慢的核聚变动力之路上迈出了两大步。加利福尼亚的研究人员使用激光触发了破纪录的聚变反应，而马萨诸塞州的一个团队展示了一种强大的磁铁，有朝一日可以将其整合到发电聚变反应堆中。
这些和其他最近的进展是否会导致聚变能力还有待观察。即使他们这样做了，可行的聚变反应堆也不会在十年或更长时间内建成。但是参与这两个项目的人们描述了一系列导致这些突破的化学和材料科学发展，包括聚焦激光的近乎完美的透镜和盘绕在巨大磁铁内的超导胶带。研究人员强调，在第一次聚变能研究半个多世纪之后，他们工作中一些最困难的方面不是基础物理研究，而是优化设备和流程以确保他们的机器能够可靠和高效地工作。 .
当两个原子核(通常是氢的同位素)融合形成一个更重的原子核时，聚变能将利用释放的大量能量。聚变反应也为恒星提供动力，并提供现代核武器的一些破坏力。在反应堆中，聚变释放的能量将使涡轮机旋转，通过流体捕获反应释放的热量来发电。这种反应与核裂变不同，核裂变发生在当前的核反应堆中，涉及钚或铀等重元素的核分裂。
作为电力来源，聚变相对于裂变的最大优势是聚变产生的危险辐射或放射性废物相对较少，其燃料——通常是氢同位素氘和氚——非常丰富，基本上是无限的。聚变还具有固有的安全优势，因为它不涉及可能导致反应堆熔化的连锁反应。
Fusion 的弱点是几十年来一直使可行的反应堆遥不可及的弱点，即反应堆需要将燃料加热到惊人的温度才能产生持续的、产生能量的聚变反应。大多数反应堆设计要求在 1 亿摄氏度或更高温度下将燃料加热成等离子体。这样做需要巨大的能量输入，迄今为止还没有任何聚变实验产生了研究人员投入的那么多能量。另一个困难是控制和维持燃料的超热等离子体，它也必须被加压以确保它足够致密触发融合。这种加压热等离子体的当前寿命记录不到 2 分钟。
聚变能的支持者——更不用说从事聚变实验的许多人——相信这些问题是可以克服的。今年的两个进步表明团队正在取得进展。
8 月，加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的国家点火装置 (NIF) 报告说，它在开始运行近十年后创造了聚变能的新记录。该设施的192 束激光向一个 2 毫米宽的金刚石球发射，该球含有氘和氚燃料，迅速加热球的表面，然后加热里面的燃料。燃料形成了约 1 亿摄氏度和 1,000 g/cm3的热致密等离子体，迫使氘核和氚核融合成氦核并释放 1.3 MJ 的能量。
这种设计被称为惯性约束聚变反应堆，出于多种原因，包括建造燃料舱的成本，可能不适合发电。“如果你想建造一座发电厂，这是非常尴尬的工程，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的聚变反应堆专家Thomas Dolan说。但该设计对于研究聚变反应是有用的，无论是作为动力来源还是在核武器的背景下。
那个实验中释放的能量本身并不是很大，足以点亮一个 60 W 的灯泡几个星期。“从科学的角度来看，NIF 1.3 MJ 镜头是一个巨大的胜利。从工程的角度来看，惯性聚变距离能源收支平衡还有很长的路要走，”普林斯顿大学聚变研究员史蒂文考利在一封电子邮件中说。但是 1.3 MJ 大约是 NIF 之前记录的 25 倍。这大约是激光传输到燃料舱的能量的 70%，这意味着 NIF 的研究人员正在接近他们的聚变反应堆可以产生净功率的点。
据该团队成员称，要达到这一新记录需要在两个主要领域进行改进：将激光引导至目标的光学器件和容纳聚变燃料的胶囊。LLNL 光学和材料科学与技术项目总监 Tayyab Suratwala 负责 NIF 中使用的近 35,000 个透镜、反射镜和其他光学元件。这些光学器件的目标是将光的功率放大 100 亿倍，以便尽可能多地加热燃料球，同时在此过程中损失尽可能少的光能。
Suratwala 和他的同事们一直在与激光作斗争，激光发出的光能量如此之大，以至于它所接触的镜子和镜片都被毁坏了。他说，NIF 是“唯一一种故意在损伤阈值以上运行的激光器”。“它基本上是在红线运行。光学元件损坏了，我们取下光学元件，修理并退回。”他的大约 150 人团队还开发了新方法来限制损坏，从而使光学器件持续更长时间并让更多光线到达目标。
NIF 使用磷酸二氢钾 (KDP) 和磷酸二氘钾 (DKDP) 光学元件旋转光的极性以帮助放大其功率。此外，就在光到达目标之前，光学器件将其从红外线转换为紫外线，这是实现聚变的更有效波长。
KDP 和 DKDP 光学器件获得了团队的大部分关注。它们是由外部公司种植、切割和抛光的晶体。Suratwala 说，就在几十年前，将晶体制成光学器件还是工匠的领域，他们的工作有时会留下肉眼看不见的缺陷，但这仍然会降低光学器件的效率。“事实证明，表面上的划痕和缺陷会吸收激光并损坏光学元件，”Suratwala 说。
LLNL 团队一直致力于使光学元件的生长、切割和抛光过程更具可重复性。它开发了一些技术，可以在制造过程中追踪光学器件中的缺陷到它们的来源，以便减轻它们。研究人员还开创了一种使用氢氟酸从光学器件表面蚀刻掉小至 10 nm 裂缝的方法。
该小组仍然必须处理激光射击期间光学器件造成的损坏。Wren Carr 是一名 LLNL 物理学家，他一直致力于了解激光如何破坏光学元件，他说金属或有机分子等污染物会落在光学元件的表面，然后在拍摄过程中吸收激光。污染物会因吸收的光而升温，从而损坏光学元件。实验室最近开发的一种简单解决方案是添加由熔融石英玻璃制成的牺牲碎片屏蔽，这比 KDP 和 DKDP 便宜。这些防护罩对激光是透明的，并在碎片撞击 KDP 和 DKDP 光学元件之前捕获碎片。Carr 说，这些防护罩在操作过程中对光学元件的损坏减少了 99%。
Carr 的团队还致力于修复仍然发生的损坏的方法。Carr 说，当碎片撞击光学元件时，由此产生的裂缝具有“所有这些悬挂键”，它们吸收激光并加热到太阳表面的温度，通过晶体发送破坏性的冲击波。因此，他的团队使用二氧化碳激光来雕刻断裂区域，留下不会生长的疤痕，从而保护晶体的其余部分。
总而言之，Suratwala 说，这些不同的限制和修复光学器件损坏的方法已将给定光学器件上的损坏点数量从 100,000 个减少到大约 50 个，即使激光的功率增加了 10 倍。这种对减轻光学元件损坏的关注有助于使记录拍摄成为可能。大约 15 年前，该设施无法以 8 月份使用的功率发射激光，负责 NIF 光学工艺工程的化学工程师 Marcus Monticelli 说。他说，很高兴看到光学科学家工作的影响。例如，一种新的光学涂层可以让更多的激光到达燃料舱，他说，这意味着更多的能量和功率来驱动聚变反应。
但是 Suratwala 说他的团队还没有准备好接受更多的激光功率。它仍然需要找到减少系统中碎片数量的方法，这仍然是主要的损坏来源。“当我们解决这个问题时，我们可以使用更高的功率，”他说，可能在未来几年内。NIF 打算从 2021 年底开始并持续到 2022 年，以新的记录功率进行几次射击，然后再转向更强大的射击。
虽然 NIF 光学器件分布在面积约 30,000 m2的设施上，但它们的工作是将激光的光聚焦到一个 2 mm 的球形目标上。在过去的 20 年里，该目标一直是 LLNL 专家关注的另一个目标。与光学元件一样，对容纳燃料的球形胶囊的精心改进有助于实现创纪录的拍摄，并且必须取得更多进展才能不断接近能量收支平衡点。
NIF 的激光永远不会击中氘和氚燃料本身。相反，它被燃料舱周围的一个小室吸收并作为 X 射线重新发射。LLNL 的科学家们已经试验了许多用于胶囊的低原子序数材料，因为这些材料可以吸收 X 射线能量。NIF 团队尝试了铍、硼、塑料和碳，但目前的胶囊是由合成金刚石制成的。
领导目标制造工作的 Abbas Nikroo 说，他的团队采用了用于半导体行业的微波等离子体辅助化学气相沉积技术。该方法允许团队在二氧化硅球体周围构建均匀的 100 微米厚的金刚石晶体。该团队在 1 周内生长晶体，然后对其进行 2 个月抛光，使目标平滑到 2 纳米以内。为了让地球在目标的尺度上满足这种平滑度规范，任何比 10 层楼高的建筑都必须打磨掉。
为了填充球体，LLNL 研究人员将一根头发粗五十分之一(2 微米)的管子粘到位。NIF 目标材料小组负责人 Suhas Bhandarkar 表示，寻找合适的胶水是另一个困难的过程。多年来，管子的厚度从 30 微米缩小到 2 微米，这意味着该团队仅使用皮升胶水将其固定到位。“胶团太小了，你需要用电子显微镜才能看到它，”班达卡说。这一点点胶水必须通过用燃料填充胶囊的应力将管固定到位，包括冷却到 20 K，即气体燃料冻结成球形晶体的温度。整个过程大约需要7个月。
就像他们在光学领域工作的同事一样，如今胶囊团队的大部分工作都是关于过程，而不是化学。Nikroo 在目标制造方面的同事 Michael Stadermann 说，每个胶囊在制造过程中都经过仔细跟踪，并在使用前通过原子力显微镜和 X 射线吸收光谱进行评估。这样，拍摄过程中的任何异常都有望在制造过程中追溯到它们的来源。
随着目标群体准备好以破纪录的力量进行后续射击，他们将开始试验碳化硼胶囊。该小组认为，金刚石晶体内的缺陷或应力可能会使驱动融合过程的内爆变得不那么均匀，从而降低效率。Stadermann 说，像碳化硼这样的无定形材料可能没有这些问题。但他表示，开发一种新胶囊大约需要 6 年时间。目标团队还将试验更薄的填充管，1 和 5 微米，看看它们如何影响胶囊的性能。
在美国的另一边，麻省理工学院和分拆公司Commonwealth Fusion Systems(CFS) 的研究人员一直在研究一种与 NIF 使用的一种完全不同的聚变反应堆设计。这种被称为托卡马克的环形装置将使用磁场来容纳和压缩一圈燃料等离子体以触发聚变。
9 月，麻省理工学院和 CFS 团队展示了一种基于高温超导氧化钡铜 (REBCO) 的新型磁铁，可用于托卡马克。这些磁铁可以产生 20 特斯拉的磁场，这是此类材料的记录，强度足以用于该团队计划在 2025 年之前建造的原型托卡马克反应堆。高温超导磁铁使该小组的托卡马克设计比其他托卡马克设计更小相同的场强，该团队表示，这将使其设计更便宜、更有效地构建和运行 (J. Plasma Phys.2020, DOI: 10.1017/S0022377820001257)。
UIUC 的 Dolan 说，新磁铁是使反应堆设计工作所必需的工程的重要证明。“我们知道你可以做到，但是当你建造这么大的东西时，事情可能会出错。这并没有出错，”他说。他认为 MIT-CFS 的工作也将使其他研究托卡马克反应堆的团队受益，因为他们可以采用超导磁体设计和团队的工程流程来制造自己的磁体。
我们知道你可以做到，但是当你建造这样的大东西时，事情可能会出错。这没有出错。
Thomas Dolan，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校聚变反应堆专家
制造这种磁铁的障碍之一是获得足够的 REBCO 胶带。CFS 首席科学官兼联合创始人 Brandon Sorbom 表示，该团队仅在过去几年才能够在制造材料的公司的帮助下建立胶带的供应链。“我们订购的磁带是其他人订购的 10 倍，”他说。“我们认为这块磁铁占据了有史以来所有磁带的 50%。”
当研究人员决定在托卡马克的毯子中使用什么材料时，他预见了类似的旅程，这种液体从聚变反应中吸收热量并驱动发电机发电。目前的主要候选者是 FLiBe，一种由氟化锂和氟化铍组成的熔盐。FLiBe 的一个优点是来自聚变反应的中子辐射将从锂中产生氚，这意味着毯子可以为反应堆生产燃料。
Sorbom 说，没有人以工业量生产 FLiBe。他希望 MIT-CFS 团队能够改变这种状况，就像对 REBCO 磁带所做的那样。研究人员将需要 FLiBe 用于他们的第一个商业反应堆，称为 ARC，他们希望该反应堆能在 2030 年代开始运行。
