美國科學家終於達成：核融合反應產生的能量超過其燃料所吸收的能量

在尋求核融合能源的挑戰中，科學家們已突破一項重大的里程碑。第一次，一核融合反應達到了放出 1.3 百萬焦耳（megajoule，MJ）的紀錄，且這也是第一次，這個能量超過了用來觸發反應的燃料所吸收的能量。

重大突破

雖然仍然還有些路要走，但是這項結果代表了過去相關領域上的重大改善：比起幾個月之前所進行的實驗結果大了 8 倍，還有比起在 2018 年所進行的實驗大了 25 倍。這是個很大的成就。

美國加州勞倫斯利福莫耳國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的國家點燃實驗設施（National Ignition Facility）的物理學家們將會遞交論文來進行同行評審。

勞倫斯利福莫耳國家實驗室的主持人金·布迪爾博士（Kim Budil）說：「這個結果，是慣性局限融合（inertial confinement fusion，ICF）研究上歷史性的一大步。基本上，這替我們重要國家安全任務的探索與前進打開了嶄新的領域。這也是對這個團隊、以及數十年來堅信不移地追求此目標的許多研究者們的創新、智慧、承諾與勇氣的證明。對我而言，它展示了這些國家實驗室最重要的角色之一－也就是在應對最大且最重要的科學挑戰上不懈的承諾，以及找出其他人可能會因為困難而卻步的解答。」

慣性局限融合原理

ICF 包含了要創造出某個像一顆小恆星的物體。它是從包含氫較重的同位素－氘（deuterium）跟氚（tritium）的燃料膠囊開始。這個燃料膠囊被放置於一個稱作環空器（hohlraum）的中空金腔室中，尺寸大約是一支鉛筆橡皮擦的大小。

接著，192 束高功率雷射光會照到環空器上，在此處它們會被轉成 X 光。這些 X 光會內爆燃料膠囊，將其加熱並壓縮至可比擬恆星中心狀態的情況，也就是超過攝氏 1 億度的高溫、以及大於 1000 億地球大氣壓力的壓力，這會讓燃料膠囊轉成小型的電漿團。

然後，就如同氫在主序星（main-sequence star）的中心融合成更重的元素一樣，氘與氚也會在燃料膠囊中進行同樣的事。整個過程僅在幾十億分之一秒中發生。研究目標是要達成點燃（ignition），也就是核融合過程所產生的能量超過總輸入能量的時點。

實驗結果

在 2021 年 8 月 8 號所進行的實驗差一點點就達到標準。來自雷射光的能量是 1.9 MJ。但是這仍然非常令人興奮，因為根據團隊的測量，比起在融合過程中所產生的能量，燃料膠囊吸收的能量少了 5 倍多。

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團隊說，這個結果來自於精煉實驗的心血，包括環空器與膠囊的設計、改善過的雷射準確度、新診斷工具、以及用來增加膠囊內爆速度的設計變動，這能夠將更多能量傳送到融合發生的電漿熱點。

美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的主持人托馬斯·梅森博士（Thomas Mason）說：「在實驗室中獲得熱核燃燒的實驗機會，是將近 50 年來科學與技術努力的頂峰。這讓檢視在高能量密度領域理論與模擬的實驗變得比以往更為紮實，並將在應用科學及工程領域取得根本性成就。」

未來目標

研究團隊計畫要進行接續的實驗，來檢視他們是否能夠重製結果，以及更詳細地研究實驗過程。研究結果亦會替實驗研究打開新道路。

物理學家們也希望研究出如何進一步增加能源效率。當雷射光在環空器中轉換成 X 光時，很多能量會喪失。很大比例的雷射光反而轉成加熱環空器的牆。解決這個問題將帶我們往融合能源更近一大步。

而同時間，研究人員們都非常地興奮。麻省理工學院（MIT）電漿科學與融合中心（Plasma Science and Fusion Center）的物理學家約翰·法蘭傑博士（Johan Frenje）說：「在實驗室中達到點燃依然是此時代的科學大挑戰之一，而此結果是邁向達成該目標的重要一步。」

「它亦使探索一個根本上很新且實驗上極度難以達成的領域變得可能，進一步使我們了解融合點燃與燃燒的過程，這對驗證與增強我們的模擬工具，以支持庫存管理很重要。此外，這個結果很具歷史性，因為它代表了數個十年來的努力、創新、智慧、大量的團隊合作、以及不懈的專注，以達成這個終極目標。」

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參考資料：

1. Starr, M., (2021, December 3). Finally, a Fusion Reaction Has Generated More Energy Than Absorbed by The Fuel.


2. Callahan, D. A., (2021, November 8). Session AR01: Review: Creating A Burning Plasma on the National Ignition Facility.


3. 圖片來源：（圖：LLNL/Damien Jemison）

來源鏈接：https://tomorrowsci.com/technology/%e7%be%8e%e5%9c%8b%e7%a7%91%e5%ad%b8%e5%ae%b6%e7%b5%82%e6%96%bc%e9%81%94%e6%88%90%ef%bc%9a%e6%a0%b8%e8%9e%8d%e5%90%88%e5%8f%8d%e6%87%89%e7%94%a2%e7%94%9f%e7%9a%84%e8%83%bd%e9%87%8f%e8%b6%85%e9%81%8e/

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