對美國國家點火設施（NIF）的Omar Hurricane博士來說，激光驅動聚變的未來形態(tài)或許可以歸結為一個詞——對稱性。作為美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）慣性約束聚變（ICF）項目的首席科學家，他密切關注著192束激光、兩英里長的光學玻璃、數(shù)千臺閃光燈，以及在LLNL龐大的國家點火設施（NIF）中共同產生核聚變能量的其他眾多設備。

圖1：位于美國加州的NIF是由LLNL研制的一座巨型激光核聚變裝置，是目前世界上最大、能量最高的激光聚變裝置

但盡管NIF的物理規(guī)模如此龐大——它大約有10層樓高，占地面積相當于三個足球場——其中卻有一個胡椒粒大小的部件，或許最吸引Hurricane的注意。那個胡椒粒就是燃料膠囊，里面裝有氫同位素，激光間接引導其內爆并發(fā)生聚變。每次在NIF完成一次激光射擊后，當Hurricane仔細觀察燃料的內爆情況時，他都會被X射線圖像所揭示出的對稱性缺失所震撼。

用外行的話來說，膠囊內的某些區(qū)域聚變得比其他區(qū)域更“賣力”。如果那些不那么活躍的區(qū)域能夠達到應有的水平，這將標志著LLNL在開發(fā)聚變能源的征程上取得巨大進展——這種聚變能源最終可能釋放出足夠多的能量來用于發(fā)電，從而幫助世界實現(xiàn)那個長期難以企及的目標：使用相對安全、清潔且易于獲取的聚變能。

“對稱性控制至關重要，”Hurricane說。“你正試圖均勻地壓縮聚變燃料。如果不夠均勻，你用來內爆的能量就會被浪費掉。”當提到對稱性時，他描述的不僅僅是那個裝有氘氚氫同位素、直徑2毫米的燃料膠囊的形狀，而是激光引發(fā)內爆的整體形狀。最佳的內爆對稱性應該是完美的球形，他將這種狀態(tài)描述為“不可能實現(xiàn)”。

“香腸”與“針墊”

研究的目標是盡可能接近球形。目前，內爆以三種不對稱形狀之一發(fā)生，Hurricane將其描述為：上下/左右不對稱；香腸/煎餅狀；以及最嚴重的針墊狀。

正如他在2026美西光電展上的演講中解釋的那樣，將這些形狀打磨到盡可能接近球形的過程，是一項多方面的平衡工作，不僅涉及膠囊設計，還涉及對192束激光的控制。每束激光在擊中一個稱為“黑腔”（hohlraum，德語意為“空心空間”）的小型金屬靶筒（內部裝有膠囊）之前，都會在厚實的光學放大板中來回傳播一英里。

圖2：圖中所示的黑腔靶標長約10毫米，直徑約6.4毫米。其內部裝有更小的燃料膠囊

黑腔的設計——它大約有鉛筆擦大小——也是一個關鍵因素。激光擊中黑腔，產生X射線。在NIF的“間接驅動點火”方案中，正是這些X射線，而不是激光本身，對膠囊表面進行加熱和燒蝕。

圖3：盡管NIF規(guī)模宏大，但正是這個胡椒粒大小的燃料膠囊，才是劇烈反應發(fā)生的地方

圖4：NIF的靶室可以產生高達1億攝氏度的溫度和極端壓力，足以將靶標壓縮到鉛密度100倍的密度

這反過來又引發(fā)了一系列令人難以置信的物理過程：氘氚燃料轉變?yōu)榈入x子體，并以每秒400公里的速度向微小的內爆膠囊中心加速。由于無處可去，在巨大的壓縮壓力下，燃料的動能轉化為熱能。原則上，正是這種熱能可以被捕獲，用于驅動渦輪機并發(fā)電。要實現(xiàn)這一點，反應必須達到“點火”狀態(tài)，即輸出的能量等于或大于輸入的能量，并且反應能夠自持。

NIF和LLNL隸屬于美國能源部，聚變開發(fā)工作正在研究利用聚變發(fā)電的可能性（這被稱為IFE，即慣性聚變能）。另外，研究的更多工作集中在將聚變用于熱核武器方面。同時，它也在研究聚變在天體物理學領域的應用價值。

處處是損失

無論用途如何，等離子體物理學家Hurricane都用“洋蔥皮”的類比來闡述將能量從激光傳遞到X射線、再到等離子體并加以利用所面臨的挑戰(zhàn)。

“每次你從外層進入內層，最終都會損失能量，”他指出，“每當你向內進入洋蔥的一層，壓力在增加，但能量在減少。如果你能成功地將足夠多的能量集中在中心，同時讓壓力上升，你就有機會啟動點火——那是一種熱核不穩(wěn)定性。”

能量損失最顯著的地方之一發(fā)生在激光擊中黑腔靶標之后。目前，有3.27億焦耳的激光能量到達，但實際傳遞到燃料膠囊的只有200萬焦耳。在激光到X射線的轉換過程中，以及在X射線引發(fā)燃料膠囊內爆的過程中，都發(fā)生了巨大的損失。

“事實證明，ICF靶丸效率極低，就像激光器本身能量效率低下一樣——你一開始輸入3.27億焦耳，最后只得到200萬焦耳，”Hurricane說，“在能量到達聚變燃料之前，你要經歷這一連串數(shù)量級的能量損失。因此，ICF靶丸在能量上是低效的。”從3.27億焦耳到200萬焦耳的巨大落差，實際上削弱了NIF宣稱其已實現(xiàn)能量增益大于1的轟動性說法。

至少從1958年起——那一年聯(lián)合國在日內瓦召開了“原子為和平”會議，時任美國總統(tǒng)艾森豪威爾在紐約發(fā)表了“原子為和平”演講——聚變就一直是廉價、安全、取之不盡、環(huán)境友好的理論上的“圣杯”。但近70年來，它仍然是能源領域的“空氣吉他”，受困于無法從聚變裝置中輸出比輸入更多的能量。

NIF在過去3年中因8次實現(xiàn)增益大于1而獲得贊譽。其中最大的一次是2025年4月，實現(xiàn)了超過4的增益，當時輸入2.08兆焦耳，輸出8.6兆焦耳。增益為4仍然遠低于NIF式聚變裝置實現(xiàn)商業(yè)發(fā)電所需的標準，但這是朝著正確方向邁出的一大步。

重新計算能量輸入

2.08兆焦耳的“輸入”僅計算了激光器從最初的3.27億焦耳經歷所有損失后到達燃料的能量。它沒有計算NIF為產生激光所消耗的所有電力；也沒有計算驅動NIF計算機化操作所消耗的電力。就成本核算而言，3.27億焦耳是用于公式中“輸入”部分的更準確數(shù)字。用8.6兆焦耳輸出除以3.27億焦耳輸入，得到的“增益”更接近于零，而不是¹。

正如Hurricane指出的那樣，整個過程中都存在損失，從激光激發(fā)開始，包括放大，還包括在某一點從紅光到藍光的轉換。存在許多變量和影響因素。與黑腔及其燃料膠囊內部活動相關的損失，與入射激光的能量屬性以及眾多其他因素有關。例如，將微小黑腔定位在一個大型靶室內的位置至關重要。

“我們在NIF上有一個10米寬的靶室，192束激光射入其中，我們必須將靶標放置在距離中心30微米以內，否則它會射向一側，”他談到。

他用自己業(yè)余愛好的射箭打了個比方。“幾乎任何人都可以用弓箭射擊五米外的靶子并擊中它，”他說，“但如果把靶子放到一百米外，只有奧運會射擊運動員才能做到。如果把靶子放到三百米外，沒人能做到。對弓箭控制所需的精度水平會呈指數(shù)級增長。ICF和IFE系統(tǒng)要實現(xiàn)點火，控制需就要極高的精度。我們需要激光系統(tǒng)和靶標本身都具備令人難以置信的控制精度。我認為很多人沒有意識到的是，讓慣性約束聚變系統(tǒng)正常工作所需的精度水平。”

來源：榮格-《國際工業(yè)激光商情》

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