利用雷射能量實驗室的OMEGA 雷射系統開創的方法顯示了在更大範圍內引發核融合的潛力。羅徹斯特大學雷射能源效率實驗室（LLE）的研究人員領導的實驗為慣性約束聚變（ICF）的直接驅動方法展示了一種高效的”火星塞”。

羅徹斯特大學雷射能源效率實驗室在進行直接驅動慣性聚變實驗時從歐米茄靶室內部看到的景象。科學家們向裝有氘和氚燃料的小膠囊發射了28千焦耳的雷射能量，使膠囊發生內爆，產生足夠熱的等離子體，從而引發燃料核之間的聚變反應。內爆中心的溫度高達攝氏1 億度（1.8 億華氏度）。內爆的速度通常為每秒500 到600 公里（每小時110 到135 萬英里）。內核的壓力是大氣壓力的800 億倍。圖片來源：羅徹斯特大學雷射能學實驗室/尤金-科瓦盧克（Eugene Kowaluk）攝

在《自然-物理》（Nature Physics）雜誌刊登的兩篇研究報告中，該團隊分享了他們的研究成果，並詳細介紹了這些方法的擴展潛力，目的是在未來的設施中成功實現核融合。

LLE 是美國能源部最大的大學項目，擁有OMEGA 雷射系統，該系統是世界上最大的學術雷射器，但其能量幾乎只有加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置(NIF) 的百分之一。利用OMEGA，羅徹斯特的科學家們完成了數次成功嘗試，向裝滿氘和氚燃料的小膠囊發射28 千焦耳的激光能量，使膠囊發生內爆並產生足夠熱的等離子體，從而引發燃料核之間的聚變反應。實驗引起的聚變反應所產生的能量超過了中央熱等離子體中的能量。

OMEGA實驗採用雷射直接照射膠囊的方式，不同於NIF 上使用的間接驅動方式。使用間接驅動方法時，雷射會轉換為X射線，進而驅動太空艙內爆。NIF 使用間接驅動法，利用約2000 千焦耳的雷射能量以X 射線輻照膠囊。這使得NIF 在實現聚變點火方面取得了2022 年的突破–聚變反應可從目標產生淨能量增益。

成就與未來展望

第一篇論文的第一作者康納-威廉斯（Connor Williams）23 歲獲得物理學和天文學博士學位，現在是桑迪亞國家實驗室從事輻射和積體電路框架目標設計的科學家。他說：”這是以後想完成任何事情的必要條件，例如燃燒等離子體或實現點火。”

羅徹斯特研究團隊展示了他們僅用28千焦耳的雷射能量就能達到如此水平的內爆性能，他們對將直接驅動方法應用於能量更大的雷射器的前景感到興奮。展示火星塞是重要的一步，但是OMEGA太小，無法壓縮足夠的燃料來實現點火。

“如果能最終製造出火星塞並壓縮燃料，那麼與間接驅動相比，直接驅動具有許多有利於聚變能源的特性，在將OMEGA的結果放大到幾兆焦的雷射能量後，聚變反應預計會變得自我維持，這種情況被稱為’燃燒等離子體。”21歲的Varchas Gopalaswamy博士（機械工程）說，他是LLE的科學家，領導了第二項研究，探索在兆焦耳級激光器上使用直接驅動方法的影響，類似NIF的大小。

戈帕拉斯瓦米說，直接驅動積體電路框架是實現雷射核融合中熱核點火和淨能量的一種很有前途的方法。

LLE首席科學家、機械工程系和物理與天文學系羅伯特-L-麥克羅裡（Robert L. McCrory）教授里卡多-貝蒂（Riccardo Betti）說：”最近這些實驗取得成功的一個主要因素是開發了一種基於統計預測並透過機器學習演算法驗證的新型內爆設計方法。這些預測模型讓我們能夠在進行有價值的實驗之前，縮小有希望的候選設計的範圍。”

編譯來源：ScitechDaily