想象一下，試圖將太陽召喚到你的研究實驗室。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不會擔憂將“能源供應”問題。

當然，太陽實際上無法到達實驗室。它離實驗室太遠，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)進行能量反應，為地球上的生命提供動力。

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

當然，這并沒有阻止科學家追求核聚變。相反，他們發(fā)現了非凡的方法，——使用強激光和氫燃料——來產生極端條件，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)建一個能產生比建造它所需的更多聚變能量的系統。其非常具有挑戰(zhàn)性，因為它需要在極端條件下進行高精度實驗，近幾十年來，研究人員在生產受控實驗室聚變所需的科學和技術方面取得了重大進展。

現在，特拉華大學 (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動球的內爆實現的，是特拉華大學Arijit Bose的新研究重點。來源：University Of Delaware/Jeffrey Chase, https://youtu.be/a-nFcNfYR7c.

他們將強大的磁場應用于激光驅動的內爆，這可能使他們能夠以以前在實驗中未探索過的方式控制聚變反應。

Bose是UD 物理和天文學系的助理教授，在羅切斯特大學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實驗室后，他找到了自己的研究重點。那里的激光被用來內爆球形膠囊并產生等離子體，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)生聚變反應的地方，這讓我大吃一驚。”

Bose說，激光驅動的核聚變研究已經存在了幾十年。它始于1970年代的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室 (Lawrence Livermore National Lab)。利弗莫爾現在擁有世界上最大的激光系統，有三個足球場那么大。在那里進行的融合研究采用了一種間接方法。激光被引導到一個100毫米大小的小金罐中。它們撞擊罐的內表面，產生X射線，然后擊中目標——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>

目標在一納秒（十億分之一秒）內內爆，首先由激光驅動，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：“啟動自熱聚變鏈式反應稱為點火。如今，我們已經離實現點火非常接近了。”

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激光設備較小，用于測試直接驅動方法。該工藝不使用金罐，相反，激光直接擊中目標球體。

新部件是強大的磁場，在這種情況下，磁感應強度高達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，保護地球免受太陽風影響的磁場比50T小很多數量級。

“你想讓原子核融合，磁場捕獲帶電粒子并使其繞場線運動。這有助于產生碰撞，有助于促進聚變。這就是為什么增加磁場有利于產生聚變能量。”Bose說。

核聚變需要極端條件，但這已經實現了。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。相關工作發(fā)表在《Physical Review Letters》上，論文中的實驗是Bose在麻省理工學院等離子體科學與融合中心進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吸引，部分原因是物理和天文學系對等離子體物理的關注，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的數據進行研究和分析，”他說?！拔覀冞M行實驗室天體物理實驗，在實驗室中，這些現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任務提出的一些復雜的物理問題?！?/p>

Bose說，學生是這項工作的重要推動者，因為這項新的研究領域，他們的職業(yè)生涯相比其他人更有前景?！斑@是科學的一個重要并迷人的部分，學生是國家實驗室勞動力發(fā)展過程中及其重要的部分，”他說?！霸谶@項科學和技術方面有經驗的學生最終往往成為國家實驗室的科學家和研究人員?！薄拔磥恚€有很多工作要做，”他說。“也許，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?！?/p>