美国实验室揭示核聚变燃料胶囊在类似太阳的高温下如何工作

排行榜 2025年11月28日 15:26 1 cc

信息来源：https://interestingengineering.com/energy/us-nuclear-fusion-fuel-capsules

当激光束以太阳表面数倍的温度轰击豌豆大小的燃料胶囊时，这个不到十毫米的微型容器必须在数十亿帕斯卡的压力下保持结构完整性，同时对称压缩内部的氘氚燃料引发聚变反应。这个看似简单的物理过程，恰是阻碍惯性聚变能源从实验室走向商业化的核心技术瓶颈。美国能源部SLAC国家加速器实验室的科研团队通过一系列开创性实验，正在揭示燃料靶在极端条件下的真实行为，为设计出能够承受聚变反应苛刻环境的理想胶囊提供关键数据。

这组发表在《等离子体物理学》上的研究聚焦于三维打印泡沫材料这一前沿候选方案。在惯性聚变能源反应中，激光驱动的内爆要求燃料靶具备看似矛盾的特性：必须足够坚固以容纳高压燃料，又要足够轻薄以实现对称压缩；需要承受超过太阳表面温度的热冲击，同时保持结构均匀性避免任何微观缺陷。传统气凝胶材料虽然密度低，但制造精度和可重复性难以满足工业化生产要求。双光子聚合技术制造的三维打印泡沫为这一难题提供了新思路，但其在极端条件下的实际表现此前一直是未解之谜。

SLAC的研究团队利用直线加速器相干光源这一全球最亮X射线激光器，通过四项相互关联的实验系统性地评估了三维打印泡沫靶的性能。该设施的极端条件物质仪器能够模拟地球核心的极端压力和太阳表面级别的温度，为研究人员创造了在实验室中重现聚变环境的独特能力。这些实验不仅测试材料本身，更重要的是验证用于预测靶性能的计算机模拟模型，为未来燃料靶设计提供可靠的理论工具。

从固态到等离子体的精密测量

温度控制是聚变反应成败的关键变量之一，但在极端条件下进行精确温度测量极具挑战。博士候选人威洛·马丁领导的研究团队开发了一种结合光谱学和散射技术的创新方法，能够获取带有时间戳的温度数据，追踪碳样品从固态演变为等离子体的完整过程。这种实时测量技术不仅揭示了材料在不同阶段的温度变化，更重要的是帮助研究人员区分激光能量在加热和压缩材料之间的分配比例。

马丁在接受采访时表示："能够为一项可能对人类社会产生革命性影响的技术做出贡献，是一种强大的动力。要使聚变能源成为真正可持续的能源，这是一项巨大的科学挑战。"她的研究团队发现，在激光照射初期，大部分能量用于加热材料使其快速升温，而随着材料状态转变为等离子体，能量分配模式发生显著变化。这些数据对于优化激光参数和靶设计至关重要，有助于提高能量利用效率。

研究生克劳迪娅·帕里苏阿尼亚·巴兰卡的工作则聚焦于冲击波传播特性。她的团队使用高速成像技术，记录冲击波在三维打印双光子聚合泡沫中的传播过程，并与传统气凝胶进行对比。实验结果显示，泡沫密度和微观结构对冲击波速度和压力分布有显著影响。通过精确测量这些参数，研究团队能够验证和改进计算机模拟模型，使其更准确地预测不同靶设计在实际聚变反应中的表现。

这种实验与模拟的紧密结合代表了聚变研究方法论的重要进步。传统上，燃料靶设计主要依赖理论计算和有限的破坏性测试。但聚变环境的极端性质意味着许多材料行为无法通过常规手段预测，必须在接近真实条件下进行实验验证。SLAC的直线加速器相干光源提供了这种能力，其超短X射线脉冲能够在材料被破坏前捕捉其内部结构变化，为研究人员提供前所未有的观测窗口。

微观缺陷的致命影响

极端条件下的物质（MEC）仪器模拟了地球核心的极端压力和与太阳表面一样高的温度。 SLAC

如果说温度和压力控制是聚变反应的宏观挑战，那么微观缺陷管理则是决定成败的细节之战。研究生丹尼尔·霍奇的研究揭示了燃料胶囊壳层中微小空隙对压缩过程的破坏性影响。这些直径可能只有几微米的空隙，在激光驱动的冲击波作用下会引发不对称压缩，导致燃料无法达到点火所需的高密度和高温。

霍奇团队采用了一种独特的研究方法：他们人为制造可控大小的空隙，然后用激光驱动冲击波对其进行处理，系统性地研究缺陷如何演化和影响压缩均匀性。实验结果表明，即使是纳米级的不均匀性也可能在高压环境下被放大，最终导致聚变反应失败。这一发现强调了超高精度制造在惯性聚变能源中的关键地位，也解释了为何美国国家点火装置在二零二二年十二月实现历史性点火突破后，仍难以稳定重复该成果。

相关研究还涉及金刚石胶囊这一另类候选材料。金刚石因其极高的强度和热导率，曾被认为是理想的燃料胶囊材料。然而最新研究发现，金刚石在超过一百一十五吉帕斯卡的压力下会产生结构缺陷和塑性变形。虽然金刚石通常被视为最坚硬的材料，但在聚变反应的极端条件下，其共价键结构会发生重排，形成位错等缺陷，破坏压缩的对称性。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的材料科学家发现，这些缺陷的形成机制与金刚石的晶体结构密切相关。在极高压力下，碳原子被迫进入能量较高的构型，当应力超过临界阈值，原子排列会发生局部失稳。研究团队通过在不同压力下系统测试金刚石样品，绘制出了缺陷形成的压力阈值图谱。这些数据不仅帮助改进金刚石胶囊设计，更深化了科学界对共价键合材料在极端条件下行为的理解，具有超越聚变研究的广泛科学价值。

从实验室突破到商业应用的鸿沟

SLAC的研究成果凸显了惯性聚变能源面临的根本挑战：实验室能量增益与商业化发电厂之间存在巨大技术鸿沟。美国国家点火装置在二零二二年十二月首次实现聚变增益大于一的里程碑后，二零二五年四月再次创造纪录，产生八点六兆焦耳能量，输入激光能量仅二点零八兆焦耳，能量增益因子超过四。这一进展令人振奋，但距离实际发电应用仍有漫长道路。

国家点火装置的成功依赖于精心设计的特定靶丸和经过数月优化的激光参数。该装置每次发射需要数小时准备时间，燃料靶由专业技术人员手工制造和装配，单个成本高达数万美元。而商业化聚变电站要实现经济可行性，需要以每秒数次到数十次的频率重复聚变反应，每个燃料靶成本必须降至几美分级别。这要求燃料靶制造从手工艺品级别跨越到大规模工业生产，同时保持甚至超越当前的精度标准。

三维打印技术被视为解决这一矛盾的关键途径。传统制造方法难以在保证精度的同时实现低成本量产，而双光子聚合等先进三维打印技术理论上能够以数字化方式快速复制复杂结构。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究显示，改进的三维打印工艺能够极大加速量子计算机组件和其他先进电子产品制造，同样的技术原理也适用于核聚变燃料舱的大规模生产。然而从原理可行到工业化实现，仍需解决材料配方、打印精度、质量控制等一系列工程难题。

SLAC科学家阿里安娜·格里森强调："在SLAC，我们正在发明新的方法来研究这些聚变燃料靶及其在聚变发电厂极端条件下的潜在行为。"她领导的团队计划利用这些初步研究建立的实验基础，开展更深入的密度测量、压力分析和高分辨率成像研究。本科生列维·汉考克使用叠层成像技术对仅十微米宽的三维打印泡沫柱进行成像，成功构建了详细的二维和三维图像。这种在微观尺度精确表征材料结构的能力，对于理解缺陷形成机制和优化制造工艺至关重要。

惯性聚变能源的产业化竞赛

这些基础研究工作是美国能源部惯性约束聚变能源科学与技术加速器研究项目的组成部分。该项目汇集了国家实验室、大学和私营企业，试图在未来十年内建立惯性聚变能源的技术和产业基础。与磁约束聚变不同，惯性聚变的脉冲式反应模式更接近内燃机而非持续燃烧的锅炉，这为工程设计带来独特挑战，但也可能提供更灵活的功率调节能力。

中国在聚变能源领域也展开积极布局。上海正规划在二零四五年建成首个五十赫兹百万千瓦级激光聚变电站。中国科学家认为激光聚变相比磁约束聚变具有装置体积小、建设成本低等潜在优势。然而无论采用何种技术路线，燃料靶的设计制造都是绕不开的核心难题。国际原子能机构二零二五年世界聚变展望报告指出，全球惯性约束聚变研究正进入从科学突破向工程实施转变的关键阶段，未来五年的进展将决定这一技术路线的长期前景。

SLAC的研究代表了这一转变中不可或缺的一环。格里森表示，理想的惯性聚变燃料靶目前并不存在，但通过系统的实验评估和理论建模，科学界正逐步逼近这一目标。每一项看似细微的进步——更精确的温度测量、更完善的冲击波模型、更深入的缺陷理解——都在为最终实现可靠、可重复、可大规模制造的燃料靶奠定基础。

从实验室突破到产业落地，惯性聚变能源正处于决定性转折点。技术可行性已经得到初步验证，但工程实现的挑战才刚刚开始显现。燃料靶作为这一宏伟能源愿景中最微小却最关键的组件，其设计和制造技术的每一步进展，都可能成为打开商业化大门的钥匙。SLAC实验室在极端条件下揭示的材料行为密码,正在帮助人类向驾驭聚变能源这一终极清洁能源迈出扎实一步。