2014年2月，美國(guó)LLNL實(shí)驗(yàn)室，NIF裝置。以激光驅(qū)動(dòng)核聚變?yōu)槟繕?biāo)的科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)里程碑式的突破：聚變反應(yīng)產(chǎn)出的能量比激發(fā)其聚變的能量更高了。這份報(bào)告幾乎恰好在該裝置進(jìn)行首次192路空腔測(cè)試的五年后問世。當(dāng)NIF在證實(shí)激光聚變'>激光聚變的道路上剛開了個(gè)好頭，之后又陷入重重技術(shù)問題的當(dāng)口，該報(bào)告的問世無疑帶來了一些受人歡迎的好消息。

　　通過反思產(chǎn)生使聚變發(fā)生的內(nèi)爆的方法，特別是對(duì)激光脈沖波形進(jìn)行整形以減少困擾此項(xiàng)目很久的不穩(wěn)定性，NIF的工作團(tuán)隊(duì)終于得以實(shí)現(xiàn)這次里程碑式的進(jìn)步。然而，盡管實(shí)現(xiàn)了凈能量產(chǎn)出是一個(gè)重要的進(jìn)展，但實(shí)現(xiàn)裝置點(diǎn)火的核心目標(biāo)——產(chǎn)生可以自持的聚變反應(yīng)——還需要有很多年的努力。本文是對(duì)迄今為止NIF走過的激光聚變的道路的總覽，并揭示其未來的道路可能在何方。

　　概念提出：在地球上創(chuàng)造一顆恒星

　　自從發(fā)現(xiàn)熱核聚變是太陽的能源時(shí)，科學(xué)家們就已經(jīng)夢(mèng)想能駕馭這種聚變的能量。但是太陽巨大的重力使得其實(shí)現(xiàn)聚變輕而易舉——將氫原子和聚合到一起，形成氦核并釋放巨大的能量，同時(shí)這一過程可持續(xù)進(jìn)行，成為可自持的燃燒——而這在地球上極難實(shí)現(xiàn)的，在過去60年中人們一直無法實(shí)現(xiàn)大強(qiáng)度或穩(wěn)定的熱核聚變。目前的大部分研究特別集中磁約束聚變方法上。

　　隨著激光技術(shù)的發(fā)明和進(jìn)步，另一種可能實(shí)現(xiàn)聚變的方法問世了。慣性約束聚變通常由高功率激光將微克量級(jí)的冰凍氘和氚加熱，以驅(qū)動(dòng)聚變反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火目標(biāo)。1972年，LLNL實(shí)驗(yàn)室的John Nuckolls和同事們提議建造這樣的一個(gè)裝置，并草擬了激光功率，脈沖波形，球?qū)ΨQ性等關(guān)鍵變量的設(shè)計(jì)要求。

　　十年后，Nuckolls和同事們進(jìn)一步細(xì)化了這一概念，提議將樣品燃料球放置在黑體輻射腔內(nèi)。概念中，激光轟擊到黑體輻射腔內(nèi)后轉(zhuǎn)化為X射線，進(jìn)而X射線將燒蝕靶球并激發(fā)內(nèi)爆。這一基本框架——即所謂的間接驅(qū)動(dòng)方法——凝聚了NIF人為了點(diǎn)火默默的付出。

　　圖1 金制圓柱黑體輻射腔，尺寸大概相當(dāng)于一塊橡皮，內(nèi)置胡椒子大小的聚變?nèi)剂习型?/p>

　　NIF該如何工作

　　為了在地球上實(shí)現(xiàn)瞬間能夠媲美恒星和行星內(nèi)核的1億度高溫和一千億倍大氣壓的超高溫超高壓環(huán)境，NIF的大量工作始于一個(gè)9.425mm長(zhǎng)，5.75mm直徑的金制圓柱空腔，即黑體輻射腔。在輻射腔內(nèi)是一個(gè)2mm的球體，內(nèi)含一個(gè)冰凍的氘-氚球混合冷凍的氘-氚氣體。該球體包裹在摻雜硅的塑料外殼內(nèi)。黑體輻射腔的靶——其尺寸就如同鉛筆上的橡皮那么大——放置在一個(gè)10米直徑的球形靶室內(nèi)，而該靶室又位于NIF裝置的“中央車站”內(nèi)，那是一個(gè)混凝土制的圍墻，其高度和直徑都是30米。

　　以激光向黑體輻射腔的轟擊過程始于一束能量很弱的激光脈沖(大約1nJ)，經(jīng)過NIF一系列的摻釹玻璃前置放大器和主放，最終的總能量將被放大到1.9MJ。這一巨大的能量經(jīng)由192路分離的激光放大光束傳遞到黑體輻射腔內(nèi)，自適應(yīng)光學(xué)件(變形鏡等用來校正波前誤差)和其他一系列裝置用來提供光束質(zhì)量，控制光束特性，將紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)樽贤夤?，并聚焦到豌豆大小的黑體輻射腔內(nèi)。從開始傳輸?shù)阶罱K進(jìn)入靶室，光束共傳輸了1500米——歷時(shí)大約5μs——且最終打靶的精度控制在50μm以內(nèi)。

　　當(dāng)聚焦的光束同時(shí)射入金制的黑體輻射腔內(nèi)時(shí)，會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生X射線，并急速加熱燃料芯塊的摻硅塑料包層。靶球的剩余部分將向內(nèi)進(jìn)行內(nèi)爆，壓縮內(nèi)部的燃料塊，并產(chǎn)生一個(gè)沖擊波附加更多熱量到燃料塊上，由此產(chǎn)生“點(diǎn)燃”效果。雖然激光照射在靶上的時(shí)間約20ns，但大部分的核反應(yīng)在“聲爆時(shí)間”內(nèi)就發(fā)生了，這個(gè)時(shí)間短到大概只有100~200ps。

　　如果內(nèi)爆是對(duì)稱發(fā)生的，且內(nèi)爆速度足夠大(約700，000英里/時(shí))，氘和氚原子將在千億分之一秒內(nèi)聚合到一起，發(fā)生聚變反應(yīng)，并產(chǎn)生出比太陽核心溫度還要高的高溫。聚變反應(yīng)將生成Alpha粒子(氦核)和中子。Alpha粒子將附帶能量進(jìn)入氘-氚燃料內(nèi)，加熱燃料并增加聚變反應(yīng)的比例，從而產(chǎn)生更多Alpha粒子，這就是已知的“熱點(diǎn)區(qū)”。

　　這一鏈?zhǔn)椒磻?yīng)表明了氘-氚燃料的燃燒速度如何提速并最終達(dá)到自持的——達(dá)到能夠進(jìn)行增殖燃燒或者點(diǎn)火。終極目標(biāo)是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的人造恒星將能產(chǎn)出10~100倍于將其點(diǎn)火的能量。

　建造NIF

　　盡管外界關(guān)于NIF的輿論總把聚變能與潛在的能源聯(lián)系在一起，其實(shí)該裝置最初的目的更多的是傾向核武器而非核能源。上世紀(jì)90年代，美國(guó)核武器計(jì)劃由設(shè)計(jì)與開發(fā)新武器轉(zhuǎn)變?yōu)椴鸪F(xiàn)存的武器。能源部創(chuàng)立了儲(chǔ)備管理計(jì)劃，以在不進(jìn)行全面地下核試驗(yàn)的基礎(chǔ)上維持美國(guó)核威懾力量的“安全，保密與可靠”。

　　NIF當(dāng)初的設(shè)計(jì)是該計(jì)劃的一部分，為了給科學(xué)家們提供一種在可控環(huán)境下觀察和檢測(cè)熱核反應(yīng)的方法，以及在給定時(shí)間內(nèi)，做到比地下試驗(yàn)執(zhí)行更多次的實(shí)驗(yàn)。NIF的注資和監(jiān)管因此由國(guó)家核能安全管理局NNSA負(fù)責(zé)，而不是通過能源部的聚變能項(xiàng)目注資，后者主要集中研究磁約束聚變方面。

　　1997年NIF在LLNL動(dòng)工開建，預(yù)計(jì)花費(fèi)12億美元，并于2002年竣工。在2000年，政府會(huì)計(jì)辦公室發(fā)現(xiàn)建設(shè)監(jiān)督和管理不善，已經(jīng)比預(yù)計(jì)標(biāo)價(jià)多出10億美元。最終該建設(shè)項(xiàng)目花費(fèi) 35億美元，且比計(jì)劃晚了十年建成。

　　建設(shè)成果：一個(gè)龐大無比的裝置(3個(gè)足球場(chǎng)可以容納在10個(gè)主建筑里)，內(nèi)置已知建造的最大的激光器和最大的光學(xué)儀器，包含7500個(gè)直徑超過30cm的光學(xué)件以及超過30000個(gè)更小的光學(xué)件。)