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想象一下，試圖將太陽召喚到你的研究實(shí)驗(yàn)室。是的，你，大明星！帶上你灼熱的熱量，核心不斷核聚變的戲劇性和你超乎尋常的能量水平。我們想知道如何使這種聚變能在地球上隨意有效地發(fā)生，這樣我們就可以永遠(yuǎn)不會擔(dān)憂將“能源供應(yīng)”問題。

當(dāng)然，太陽實(shí)際上無法到達(dá)實(shí)驗(yàn)室。它離實(shí)驗(yàn)室太遠(yuǎn)，大約9300萬英里，而且它太大了（直徑約864,000英里）。而且它的熱量也是巨大的，其密度比地球上任何東西都高。這就是為什么它可以持續(xù)進(jìn)行能量反應(yīng)，為地球上的生命提供動力。

圖1，助理教授Arijit Bose是特拉華大學(xué)物理和天文學(xué)系的新成員。他得到了桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的資助，用于研究慣性約束聚變，該聚變利用磁化壓力產(chǎn)生核聚變。來源：Jeffrey C. Chase.

當(dāng)然，這并沒有阻止科學(xué)家追求核聚變。相反，他們發(fā)現(xiàn)了非凡的方法，——使用強(qiáng)激光和氫燃料——來產(chǎn)生極端條件，比如如太陽核心的條件，在1毫米的小塑料膠囊中產(chǎn)生核聚變。這種方法被稱為“慣性約束聚變”。

這項工作的挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建一個能產(chǎn)生比建造它所需的更多聚變能量的系統(tǒng)。其非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗枰跇O端條件下進(jìn)行高精度實(shí)驗(yàn)，近幾十年來，研究人員在生產(chǎn)受控實(shí)驗(yàn)室聚變所需的科學(xué)和技術(shù)方面取得了重大進(jìn)展。

現(xiàn)在，特拉華大學(xué) (UD) 的研究員Arijit Bose（阿里吉特·博斯）和他的合作者正在尋求這種方法的一種變體。他們的工作最近發(fā)表在《Physical Review Letters》上。

圖2，這幅動畫展示了慣性約束聚變，該聚變是通過使用高功率激光驅(qū)動球的內(nèi)爆實(shí)現(xiàn)的，是特拉華大學(xué)Arijit Bose的新研究重點(diǎn)。來源：University Of Delaware/Jeffrey Chase, https://youtu.be/a-nFcNfYR7c.

他們將強(qiáng)大的磁場應(yīng)用于激光驅(qū)動的內(nèi)爆，這可能使他們能夠以以前在實(shí)驗(yàn)中未探索過的方式控制聚變反應(yīng)。

Bose是UD 物理和天文學(xué)系的助理教授，在羅切斯特大學(xué)讀研究生期間開始了他的核聚變研究。在參觀了羅切斯特的激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室后，他找到了自己的研究重點(diǎn)。那里的激光被用來內(nèi)爆球形膠囊并產(chǎn)生等離子體，稱為“慣性約束聚變”。

“聚變是地球上一切事物的動力，”他說?！霸诘厍蛏嫌幸粋€微型太陽—一個毫米大小的太陽，這就是發(fā)生聚變反應(yīng)的地方，這讓我大吃一驚?！?/p>

Bose說，激光驅(qū)動的核聚變研究已經(jīng)存在了幾十年。它始于1970年代的勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室 (Lawrence Livermore National Lab)。利弗莫爾現(xiàn)在擁有世界上最大的激光系統(tǒng)，有三個足球場那么大。在那里進(jìn)行的融合研究采用了一種間接方法。激光被引導(dǎo)到一個100毫米大小的小金罐中。它們撞擊罐的內(nèi)表面，產(chǎn)生X射線，然后擊中目標(biāo)——一個由冰凍的氘和氚組成的小球體，并將其加熱到太陽核心附近的溫度。

Bose說：“沒有什么能在這種情況下幸存下來。電子被從原子中剝離出來，而離子移動得如此之快以至于它們相互碰撞并融合?！?/p>

目標(biāo)在一納秒（十億分之一秒）內(nèi)內(nèi)爆，首先由激光驅(qū)動，然后繼續(xù)利用自身的慣性壓縮。最后，由于壓縮引起的中心壓力增加，它會膨脹。 Bose說：“啟動自熱聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)稱為點(diǎn)火。如今，我們已經(jīng)離實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火非常接近了?！?/p>

2022年8月8日，利弗莫爾的研究人員報告了這項工作取得的令人印象深刻的新成果。

羅切斯特的OMEGA激光設(shè)備較小，用于測試直接驅(qū)動方法。該工藝不使用金罐，相反，激光直接擊中目標(biāo)球體。

新部件是強(qiáng)大的磁場，在這種情況下，磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá)50T(特斯拉)，用于控制帶電粒子。相比之下，典型的磁共振成像 (MRI) 使用的主磁鐵為 3 T。Bose說，保護(hù)地球免受太陽風(fēng)影響的磁場比50T小很多數(shù)量級。

“你想讓原子核融合，磁場捕獲帶電粒子并使其繞場線運(yùn)動。這有助于產(chǎn)生碰撞，有助于促進(jìn)聚變。這就是為什么增加磁場有利于產(chǎn)生聚變能量?！盉ose說。

核聚變需要極端條件，但這已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。挑戰(zhàn)在于獲得比輸入更多的能量輸出，而磁場提供了推動，使這種方法具有變革性。相關(guān)工作發(fā)表在《Physical Review Letters》上，論文中的實(shí)驗(yàn)是Bose在麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與融合中心進(jìn)行博士后研究時完成的。該合作仍在繼續(xù)。

Bose說，他之所以被特拉華大學(xué)吸引，部分原因是物理和天文學(xué)系對等離子體物理的關(guān)注，包括威廉·馬修(William Matthaeus)、邁克爾·謝(Michael Shay)和本·馬魯卡(Ben Maruca)。

“他們對來自NASA太陽能計劃及其所有任務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析，”他說?！拔覀冞M(jìn)行實(shí)驗(yàn)室天體物理實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室中，這些現(xiàn)象在空間和時間上都被縮小。這給了我們一種方法來解開NASA任務(wù)提出的一些復(fù)雜的物理問題。”

Bose說，學(xué)生是這項工作的重要推動者，因?yàn)檫@項新的研究領(lǐng)域，他們的職業(yè)生涯相比其他人更有前景?！斑@是科學(xué)的一個重要并迷人的部分，學(xué)生是國家實(shí)驗(yàn)室勞動力發(fā)展過程中及其重要的部分，”他說。“在這項科學(xué)和技術(shù)方面有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生最終往往成為國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和研究人員。”“未來，還有很多工作要做，”他說?！耙苍S，我們不會在明天就想到解決方案，但我們正在為清潔能源的解決方案做出貢獻(xiàn)?！?/p>