近日，美国国家点火装置（NIF）成功“点火”两次，即实现可控核聚变净能量增益，让核聚变反应产生的能量多于这一过程中消耗的能量。至此美国科学家成功将点火次数增至四次。该系列事件使NIF的首席女科学家——物理学家Annie Kritcher（见下图）在近日入选Nature年度十大人物。

这些点火实验中，NIF不仅实现了净能量增益，效率与精度也在不断提高。最新的一次实验再刷记录——输入能量首次达到2.2兆焦，3.4兆焦耳的输出能量也位列历次点火实验第二。NIF向实现数十兆焦耳甚至更高产能的目标，又迈进了一步。

NIF到底是什么？

美国国家点火装置（National Ignition Facility，简称NIF）是美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）下属的一个大型实验设施。它是世界上最大、最强的激光系统之一，用于进行核融合实验和高能物理研究。

NIF的目标是通过将激光束聚焦在小球上，产生高温、高压等离子体，使氢同位素发生核融合反应，从而释放出巨大的能量。这种核融合的能量释放方式类似于太阳，在地球上实现核融合可以为人类提供廉价、清洁、可持续的能源。

NIF的主要组成部分是192个激光束线，每条激光束线都可产生高达500兆焦耳（MJ）的脉冲能量。当这些激光束线同时聚焦在一个小球上时，可以形成数十亿度的高温和高压条件，使小球内部的氢同位素产生核融合反应。NIF用于核融合实验的小球通常使用的是石墨层包裹的氘（氘是氢的同位素之一）和三氘化硼颗粒，其中氘作为燃料，而三氘化硼作为放大器以增强反应。

通过NIF进行的核融合实验不仅可以为核武器研究提供重要数据，还能为未来的可控核融合能源系统设计和实现提供关键信息，从而推动能源研究和应用领域的发展。

除了核融合实验，NIF还广泛用于物质科学、高能密度物理学、天体物理学等领域的研究。它的激光束可以产生高能量、高功率的脉冲，用于模拟极端条件下的物质行为，例如地球内部的行星核心、恒星内部和核爆炸等。这些研究有助于增进对地球和宇宙中复杂现象的理解。

连续刷新记录

让激光器提供如此巨大能量的真正难点在于，如何保护NIF珍贵的光学元件不会受到碎片的损伤。

2023年6月，NIF完成了两项关键的改进措施，这对实现2.2兆焦耳的输入能量来说至关重要。包括在NIF三分之二的光束线上使用熔融二氧化硅碎片屏蔽，以及在32条下半球光束线上安装金属屏蔽。这些改进将由碎片引起的损伤率降低了10到100倍，具体取决于光束线。由于重力原因，较低光束线的光学元件接收到了来自靶室最多的碎片。

除此之外，其他的改进还包括，新的抗反射涂层、蒸汽六甲基二硅氨烷（HMDS）处理和光学回收循环容量的增加。以及新的“灰边阻断器”，用于解决一个科学家们尚未完全确定的问题。

要维持NIF在科学领域取得的惊人突破，单靠增加能量是远远不够的——激光脉冲的持续时间仅为几十亿分之一秒，因此需要极高的精确度才能达到理想效果。为了达到这个目标，团队最近完成了高保真脉冲整形（HiFiPS）系统的部署工作。作为一个历时多年的项目，HiFiPS能够更精确、更准确的脉冲整形，进而在内爆中实现更好的功率平衡和对称性控制。

此外，团队还翻新了设施中的光纤，使其更能承受反复的中子暴露。这些光纤用于精确测量传递给目标的激光脉冲。翻新后，信号强度直接提高了10到100倍，而研究人员也能够继续准确地“观测”激光性能。

虽然NIF已经完成了四次点火，刷新了世界纪录，但是NIF仍旧不能实现向电网提供核聚变能源。此外，NIF尽管拥有世界上最强大的激光器，但是效率很低很低，每次点火过程中，99%以上的能源在达到目标之前就已经消耗掉了。为了解决这个问题，美国宣布专门将在4年内投资4200万美元新建三个研究中心，这些研究中心将会共同研究这个问题以及其他科技进步。

国内外可控核聚变加速推进

国外，NIF以外，11月3日，全球最大“人造太阳”（ITER项目）磁体支撑产品在广州交付，标志着中国已完成最后一批磁体支撑产品，为整个装置的工程进度提供有力支撑；10月24日，目前全球最新、规模最大的核聚变反应堆-JT-60SA成功点火，该装置是由日本和欧盟共同合作建造运行的托克马克装置，于2020年建成。

国内方面，核西南院始终引领核聚变行业发展，今年8月新一代人造太阳“中国环流器三号”首次实现100万安培等离子体电流下的高约束运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行记录。

其实，人类对于核聚变的研究和利用已有超过70年历史。目前，核聚变仍处于实验阶段，科学家找到了实现净能量增益的方法，但能量出入倍数较低，等做到 1:10 或者更高倍数，才可能实现发电。

好消息是，科学技术不断取得突破的同时，随着相关技术突破及资本涌入，可控核聚变商业化按下加速键。根据CapitalIQ，2022年该领域成立的创业公司数量迅速攀升至近40家，仅2022年内就获得了约50亿美元的风投资金。同时，根据Keytone ventures预测，全球核聚变市场规模将从2022年的2964亿美元增长至2027年的3951.4亿美元，CAGR为6.0%。

中信证券还表示，ChatGPT横空出世，预计将对核聚变产业的发展产生重大影响，其在高维数据中寻得最优解的能力或显著缩短可控核聚变商业化开发周期。

该机构进一步表示，可控核聚变装置的发展将为结构材料和超导材料带来投资机会。中邮证券也表示，建议关注同时受益于国内外核聚变发展加速以及新建聚变装置中高温超导磁体推广应用的联创光电、永鼎股份等，建议关注核聚变相关设备、材料制造商国光电气、西部超导、安泰科技等。

文章来源： 报人刘亚东，科创板日报，齐鸣说谈