美国科学家在核聚变方面取得突破。这意味着什么?

核聚变是一种核反应，两个原子结合在一起，产生一个或多个总质量略小的新原子。质量差以能量的形式释放出来，如所描述的爱因斯坦著名方程E = mc2，其中能量等于质量乘以光速的平方。

由于光速是巨大的，将一小部分质量转化为能量——就像在核聚变中发生的那样——也会产生同样巨大的能量。

美国政府的研究人员国家点火装置首次展示了一种叫做聚变点火．点火是指聚变反应产生的能量大于从外部来源进入反应的能量，并变得自我维持。

在国家点火设施使用的技术包括向一个原子发射192束激光0.04英寸(1毫米)的燃料颗粒由氘和氚制成——氢元素的两种版本，带有额外的中子——放置在一个金罐中。

当激光击中罐子时，它们会产生x射线，将燃料球加热并压缩到铅密度的20倍，超过500万华氏度(300万摄氏度)——大约是太阳表面温度的100倍。

如果你能在足够长的时间内保持这些状态，你就会发现燃料会熔化并释放能量．

在实验过程中，燃料和罐子在几十亿分之一秒内蒸发掉。然后，研究人员希望他们的设备能够经受住高温，并准确测量聚变反应释放的能量。

为了评估聚变实验的成功与否，物理学家会观察聚变过程中释放的能量与激光器中能量的比例。这个比值是称为增益．

任何超过1的增益都意味着聚变过程释放的能量比激光传递的能量更多。

2022年12月5日，美国国家点火设施发射了一个燃料颗粒，其激光能量为200万焦耳，大约相当于吹风机运行15分钟所需的能量，所有这些能量都包含在十亿分之一秒内。

这引发了聚变反应释放了300万焦耳．这一涨幅约为1.5，打破了此前的涨幅纪录该设施在2021年8月达到0.7．

核聚变能源一直是能源生产的“圣杯”近半个世纪．虽然我相信，1.5倍的增益是一个真正历史性的科学突破，但在核聚变成为一种可行的能源之前，还有很长的路要走。

虽然200万焦耳的激光能量低于300万焦耳的聚变产量，但它几乎占用了整个设施三亿焦耳来产生激光在这个实验中使用。这一结果表明，核聚变点火是可能的，18新利最新登入但在考虑到整个端到端系统，而不仅仅是激光和燃料之间的单一相互作用时，还需要做大量工作来提高效率，使核聚变能够提供净正能量回报。

几十年来，科学家们一直在稳步改进聚变之谜的许多部分，以产生这一结果，进一步的工作可以使这一过程更有效。

首先，激光只是发明于1960年．当美国政府2009年完成了国家点火设施的建设在美国，它是世界上最强大的激光设备，能够发射100万焦耳的能量到达目标．

今天它产生的200万焦耳能量是地球上第二强大的激光．更强的激光器和更低能耗的激光器生产方法可以大大提高系统的整体效率。

融合条件为维持非常具有挑战性和任何胶囊或燃料中的小缺陷会增加能源需求，降低效率。科学家们已经取得了很大的进展更有效地将能量从激光转移到罐子和从气罐到燃料舱的x射线辐射，但目前只有大约10%至30%总激光能量的一部分被转移到燃料筒中。

最后，燃料的一部分——氘——是天然的氚在海水中含量丰富，但却非常稀有．聚变本身会产生氚因此，研究人员希望开发出直接收集氚的方法。

与此同时，还有生产所需燃料的其他方法．

在核聚变为你的家庭提供电力之前，这些以及其他科学、技术和工程障碍都需要克服。此外，还需要做一些工作来降低核聚变发电厂的成本国家点火设施的35亿美元．这些步骤将需要联邦政府和私营企业的大量投资。

值得注意的是，围绕核聚变有一场全球竞赛，世界各地有许多其他实验室追求不同的技术．但随着国家点火装置的新结果，世界第一次看到了证明梦想的融合是可以实现的．

卡洛琳Kuranz是一位实验等离子体物理学家，密歇根大学核工程副教授。她获得了国家核安全管理局和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的资助。她是劳伦斯利弗莫尔国家实验室的审查委员会成员，也是聚变能源科学咨询委员会的成员。

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