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摘要：由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室、美国麻省理工学院、英国伦敦帝国理工学院、美国罗切斯特大学以及该大学的激光能量学实验室、日本大阪大学激光工程研究所组成的联合研究小组，利用位于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的世界上最大的激光设备——国家点火装置National Ignition Facility（NIF），成功实证了一种使用磁场的新型激光聚变（磁场辅助激光聚变）。通过从外部对激光聚变等离子体施加强磁场，聚变等离子体的温度升高。经测量，聚变反应产生的中子数量增加了三倍。

关键字：核聚变、磁场辅助激光聚变、磁场、聚变能、脱碳能源

要点

在世界上最大的激光设备——美国国家点火装置（National Ignition Facility）中，成功通过利用磁场增加了激光聚变（磁场辅助激光聚变）的核聚变反应次数。
与传统的激光聚变相比，磁场辅助激光聚变将聚变燃料的温度提高了40%，并将聚变反应的数量增加至三倍。
通过使用磁场可以减轻燃料变形和激光照射误差对聚变反应产生的不良影响，并能够稳定地产生聚变能。
稳定聚变反应的实现将加速终极脱碳能源之一的聚变能的研究。

研究背景

聚变能作为终极脱碳能源之一，正受到社会和产业界的广泛关注。技术难点之一是让引起聚变反应的燃料（等离子体）保持足够的时间、足够高的温度和足够的密度。解决该难点并产生能量的方法有使用磁场的等离子体约束（磁场约束聚变）和使用激光的等离子体约束（激光聚变）。关于磁场约束聚变，在国际合作下，法国建成一个国际热核聚变实验堆（ITER），并即将启动实验；关于激光聚变，美国拥有世界上最大的激光设备——国家点火装置（National Ignition Facility: NIF），正在积极开展激光聚变研究。

激光聚变最简单的方式是用激光照射一个装有冷氢燃料的目标舱，使目标舱爆缩。这种爆缩会加热燃料并形成一个燃烧等离子体的位点。这个“热点”作为火种点燃全部燃料，并释放出大量的能量。但是，如果目标舱表面有一个小缺陷，或者激光照射的时机稍有偏差，聚变反应就会立即停止。如果能将燃料加热到更高的温度，则可以扩大对目标舱缺陷和激光照射时机误差的容忍度，从而可以减轻由微小变化引起的核聚变反应次数的减少。

近年来，人们已经明确，磁场也会提高激光聚变中聚变燃料的温度。使用相对于NIF较小的激光设备（日本的激光XII激光器和美国的OMEGA激光器）进行的实验表明，磁场可以提高加热效率。本次，国际联合研究小组在NIF（其设计比以往的实验更复杂，能产生更高的能量）进行了实验，结果表明，即使在接近聚变点火的等离子体条件下，磁场也能有效工作。施加磁场可使燃料温度提高40%，并使聚变反应效率提高至三倍。这种温度升高是磁场辅助聚变在大规模实验中首次得到实证，是提高聚变反应的稳定性和聚变能量输出的重要一步。

在本研究中，磁场的作用是使热点与周围的冷燃料隔离，从而提高加热效率并最终提高反应的产率。在存在磁场的情况下，等离子体中的电子只能沿着磁力线螺旋状地运动。结果显示，热量向周围冷燃料的流动变慢，从而热点内部得以积聚更多热量。

图1.通过在聚变燃料周围缠绕线圈，将强磁场施加到等离子体上。

研究意义

2021年8月，美国国家点火装置成功地通过激光聚变产生大量的能量，证实了通过激光聚变产生能量（激光聚变反应堆）的可行性，受到世界广泛关注。然而，在那之后进行的类似实验中都没有观察到大量能量的产生，反应难以重现。但就在最近，研究小组成功地重现了反应，产生了同样多的能量。难以重现的原因之一是聚变反应对目标舱的缺陷和激光照射时机的误差极其敏感，最终导致反应停止。

本研究成果的意义在于，通过施加磁场成功地缓解了这种“敏感性”，通过激光聚变实现稳定的能量制造，将加速人们对与激光聚变相关的其他重要物理学的理解。

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通过利用磁场成功将激光聚变的核聚变反应次数增加至三倍！一种通过激光聚变稳定产生能量的新方法