互动科普

将燃料靶丸一个个投入反应堆中

对于将来核聚变反应堆的设想是，每秒向堆内投入10枚左右的燃料靶丸，在其浮于空中的状态下用激光进行照射。燃料靶丸被制造出来后马上一个个地被高速（约每秒数百米）投入堆内，激光就会对它们进行均匀地照射。

对于这样的激光核聚变反应堆，以后我们就可以利用其中接连不断发生的核聚变反应来发电。激光核聚变反应堆中，只要改变燃料靶丸的投入频率，就能够自由地改变发电量，所以将来有望实现能够根据不同的电力需要而“随机应变”的电源。

此外，停止激光照射或是停止投入燃料靶丸后，核聚变反应会立即停止，所以从理论上来说不会出现反应失控的可能性。而核裂变反应堆必须将数年用量的燃料一次性投入其中，而且在运行的过程中必须十分小心谨慎地控制以避免核裂变反应过度。这是两种反应堆的不同点。

实现用NIF来进行核聚变“点火”的目标

通过激光对燃料靶丸的照射来引发少量的核聚变反应本身是不难的，较小规模的实验装置也能够做到。但是对于发电级别的核聚变反应来说，点火就是必要的了。

氘和氚发生核聚变反应后，生成的氦原子核会高速飞出，这些氦原子核与周围的等离子体相撞后，便会使其升温。若加热足够充分，就能够促进其周围等离子体发生核聚变反应，就如同火势蔓延一样使周围的燃料一下子被“点燃”，开始核聚变反应。这就是引发核聚变反应的点火。

美国巨大实验装置NIF，就是以实现通过激光对核聚变反应进行点火为目的而建造的。192束激光的能量总和，达到了史上最大的1.9兆焦耳（1兆为100万，焦耳为能量单位）。

在NIF中，燃料靶丸被放入名为辐射空腔的圆柱形容器中。激光一旦照射到容器内壁上，便会产生X射线照射靶丸，也就是间接照射。这一方法使得均匀的爆聚更容易发生，也就有利于点火。此外，法国的LMJ（Laser Megajoule，采用间接照射，能量为1.5兆焦耳）也已经建设完成，正在为进行实验而进行调整。LMJ采用了与NIF相似的设计，通过176束激光来进行照射。

2014年2月，NIF因核聚变反应产生的能量超过了输入给燃料的能量而为世界所瞩目。虽然还没能成功做到点火，但可以说已经达成了科学上的一大目标。不过，这次核聚变反应所产生的能量不过是原本激光能量的1%，因为原本激光的能量，大半都损失在了照射到辐射空腔时转化为X射线的过程上，X射线照射到燃料靶丸上的仅仅是一小部分能量，大部分能量都转化为辐射空腔的热量而散失掉了。

此外，在耗费电能产生激光时，也损失了很大的一部分能量（因为使用了后述的效率较低的闪光灯）。若想让核聚变反应堆在商业上可行，就必须让核聚变产生的能量大于投入的所有电能，所以提高整个系统的效率是十分必要的。

人们期望NIF在发生爆聚时，大多数冲击波能够完全均匀地向中心聚集，然而事实证明，其难度超乎我们的想象。

在设计上，NIF理应能够通过核聚变产生10倍于原激光的能量。今后的实验将通过改变实验条件，力争实现点火的目标。

（本文发表于《科学世界》2015年第11期）