核聚变

2022 年 12 月 13 日，美国能源部长宣布能源部 (DOE) 国家实验室取得重大科学突破：加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 国家点火装置 (NIF) 项目进行的核聚变实验，首次实现了净能量增益。

什么是核聚变？

核聚变是为我们光和能量的主要来源（太阳以及其他恒星）提供动力的一种反应。在这一反应中，两个（或更多）原子核（包括质子和中子）聚合形成更大的原子核，同时释放出能量。释放能量的原因是产生的原子核的总质量小于聚合前原子核的质量和。剩余质量转变为能量，可用于运行涡轮发电机。

例如，当氘和氚（氢的两种同位素）聚合形成氦核时，会释放多余的中子，以及更重要的可以储存的能量（见图 1）。

在地球上通过制造恒星来产生能量

科学家们试图在地球上重现核聚变，即宇宙中生成恒星的反应，因为这种反应可以产生巨大的能量。

要发生核聚变，必须达到恒星级的温度（即 1 亿度以上）。这个过程迫使带正电的原子核在约束载体内形成等离子体，通过 1000 km/s 左右的速度独立运动，克服相互之间的排斥力并聚合在一起^[1]。

从理论上讲，如果实验室的受控核聚变反应所产生的能量能够在全球范围内得到利用和有效的储存，那么这项技术就可以彻底改变我们为家庭、企业和车辆运输提供能量的方式。该反应非常高效，1 kg 聚变燃料可以提供与 1000 万千克化石燃料相同的能量^[2]。

对清洁能源的迫切需求

自 19 世纪以来，地球温度上升了约 1.1 °C。由于化石燃料能源燃烧产生温室气体，二氧化碳的浓度增加了 50%^[3]。

科学家们警告，到 22 世纪初，平均气温升高不应超过 1.5 °C^[4]。然而，联合国 2022 年 10 月的一份报告预测，到 2100 年地球温度将上升至少 2.4 °C，因此迫切需要在全球范围内推行清洁能源^[4]。

新型清洁能源解决方案

该领域的科学家强调，核聚变可能是产生清洁能源同时减轻全球变暖影响的解决方案。这一过程不依赖于化石燃料提供的能源，也不会产生温室气体污染物或长寿命的放射性废物。此外，聚变反应堆的材料还可以在 100 年内回收或再利用。

从本质上讲，核聚变能够为我们提供一种可以掌控的清洁、低价能源，这种能源有朝一日也许能够支持我们的日常生活、经济和技术发展。

LLNL 取得的里程碑式成就

2022 年 12 月 5 日，LLNL 国家点火装置 (NIF) 团队进行了一次核聚变实验，取得了前所未有的里程碑式成就：越过能量平衡点，这意味着实验产生的能量超过了启动该过程所需的能量。

这一突破代表了一个历史性的时刻；由于化石能源在全球范围内的持续使用，世界面临着高昂且不稳定的能源价格以及全球变暖带来的前所未有的影响。

NIF 的发展和测试历经 50 多年，该装置引领国际激光聚变科学研究，其他类似实验装置有日本的 FIREX 和中国的 SG-III 等。

突破性实验

在最近的一项实验中，将一束激光分成 48 个光学通道，然后放大并再次分成 4 个通道，产生 192 路光束。

用 192 束激光加热并压缩氘氚靶丸，产生类似太阳中心的温度。丸体外部气化，变成等离子体，在几分之一秒内内爆，速度高达 400 km/s (250 mi/s)。随后的“挤压”使得压缩“燃料”的密度变得极高，从而发生了核聚变。

当聚变反应释放的能量超过提供给靶丸的能量时，则出现了净能量增益。在该实验中，研究人员使用 2 MJ 的能量产生了 3 MJ 的能量。

安捷伦的贡献

安捷伦与 LLNL 等离子体电极普克尔盒 (PEPC) 团队合作，该团队开发了大孔径等离子体电极普克尔盒技术，这是一种特殊的光学开关，是减小 NIF 所需尺寸的关键技术之一。

这种光学开关阻止每束激光离开主放大器，并允许 192 个光束通过 4 次，利用特殊的光学元件进一步放大并调节每个光束的能量，然后在通往靶丸腔室的路径上将其再次释放。清洁、稳定的真空是这部分 NIF 激光实验的必要条件。

“我们与 LLNL 合作，产生并维持所需的实验条件。其中发挥关键作用的是我们的涡轮分子泵。为了实现真空，PEPC 团队使用了 48 台安捷伦 80 L/s 涡轮分子泵，确保正常运行并维持理想的压力水平。”安捷伦科技公司客户经理 Ed Gordon 说道。

推动研究领域发展

现在，LLNL 研究团队已经成功展示了核聚变实验的净能量增益，但仍有一些技术难题需要克服，例如：

1. 重复实验 — 如果反应条件不最优，则无法重复
2. 进一步优化所有反应条件，同时确保所有组件足够坚固，能够耐受发生核聚变所必需的极端环境
3. 从核聚变反应中产生并提取更高的能量输出

LLNL 以及相关研究实验室的下一个研发阶段很可能涉及重复和方法开发，目的是实现更高的能量增益，从而在长期商业可行性方面取得进展。在真空技术支持方面，安捷伦的产品和专业技术将继续在推动这一研究领域的发展中发挥重要作用。

“无名英雄”真空泵

学术、政府及研究业务开发经理 Mauro Audi 表示：“我们非常自豪，安捷伦真空泵在本世纪最令人惊喜的实验的成功中发挥了重要作用：发现希格斯玻色子，探测引力波，以及现在的可控核聚变。”

在许多方面，真空泵是近年来极具吸引力和创新性的研究实验的无名英雄，安捷伦很荣幸能够参与其中并发挥作用。