科學(xué)家相信，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置最近一次成功將推動(dòng)對(duì)熱核反應(yīng)的理解。

8月，美國(guó)能源部一標(biāo)志性激光裝置的科學(xué)家打破了他們創(chuàng)下的紀(jì)錄：在不到一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了超過(guò)10萬(wàn)億瓦特的聚變功率——大約是全美電網(wǎng)瞬時(shí)電力的700倍。這一突破使得沉寂已久的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility，NIF）再煥生機(jī)，或有望實(shí)現(xiàn)在持續(xù)聚變反應(yīng)中產(chǎn)能大于能耗的原始目標(biāo)。

美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置耗資35億美元建造，坐落于加州的勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，其設(shè)計(jì)目的不是為了作為發(fā)電廠的原型，而是為了研究熱核武器核心的聚變反應(yīng)。美國(guó)政府在1992年冷戰(zhàn)結(jié)束時(shí)叫停了地下核試驗(yàn)；能源部隨后提出建設(shè)國(guó)家點(diǎn)火裝置，作為基于科學(xué)的核武器儲(chǔ)備管理計(jì)劃（Stockpile Stewardship Program）的一部分，從而能在不引爆的情況下驗(yàn)證國(guó)家核儲(chǔ)備的可靠性。

美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（靶標(biāo)室如圖）有三個(gè)美式橄欖球場(chǎng)這么大。來(lái)源：勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

對(duì)于8月取得的這一激光聚變突破，科學(xué)家謹(jǐn)慎樂(lè)觀地認(rèn)為，國(guó)家點(diǎn)火裝置也許能實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)初衷，幫助物理學(xué)家更好地理解核聚變的初始階段，以及后來(lái)的引爆階段?！斑@是擺在我們面前的科學(xué)問(wèn)題，”利弗莫爾基礎(chǔ)武器物理學(xué)副主任Mark Herrmann說(shuō)，“我們接下來(lái)該往哪兒走？能走多遠(yuǎn)？”

在此，《自然》回顧了國(guó)家點(diǎn)火裝置走過(guò)的漫長(zhǎng)歷程，探討了這次點(diǎn)火成功對(duì)于美國(guó)能源部的核武器儲(chǔ)備管理計(jì)劃有何意義，以及未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)的新突破。

國(guó)家點(diǎn)火裝置如何實(shí)現(xiàn)核聚變？

國(guó)家點(diǎn)火裝置有十層樓那么高，三個(gè)橄欖球場(chǎng)那么大，裝置內(nèi)部有一系列光學(xué)器件和鏡子，可以增強(qiáng)初始光子脈沖，并分解成192束紫外激光，再將它們聚焦在一個(gè)比鉛筆頭橡皮擦還要小的靶點(diǎn)上。這些光束會(huì)在不到40億分之一秒的時(shí)間內(nèi)以約1.9兆焦耳的能量轟擊靶標(biāo)——一個(gè)黃金圓柱體，產(chǎn)生僅在恒星與熱核爆炸中才能達(dá)到的溫度和壓力。

這個(gè)圓柱體內(nèi)有一個(gè)冷凍的氘氚（氫的同位素）小丸，在這樣的脈沖功率下，小丸核心處的氘氚會(huì)受熱、聚變，并產(chǎn)生氦核、中子、電磁輻射；與此同時(shí)，圓柱體會(huì)發(fā)生塌陷。這里的目標(biāo)是釋放具有連鎖反應(yīng)的粒子，產(chǎn)生更多核聚變反應(yīng)和更多的粒子，從而引發(fā)可持續(xù)的核聚變反應(yīng)。根據(jù)定義，當(dāng)核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于其消耗的能量時(shí)，就會(huì)發(fā)生“點(diǎn)火”現(xiàn)象。8月8日實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果表明，核聚變反應(yīng)破紀(jì)錄地產(chǎn)生了其消耗能量的70％——幾乎點(diǎn)火成功。

為何2009年就開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)的國(guó)家點(diǎn)火裝置

花了這么久才（近乎）點(diǎn)火成功？

沒(méi)有人說(shuō)點(diǎn)火很容易，但事實(shí)證明，建設(shè)國(guó)家點(diǎn)火裝置比政府最初預(yù)料的更復(fù)雜。國(guó)家點(diǎn)火裝置于1997年開(kāi)工建設(shè)，耗時(shí)10多年才竣工，比計(jì)劃的進(jìn)度落后了好幾年，預(yù)算超支至少24億美元。

國(guó)家點(diǎn)火裝置在2012年嘗試點(diǎn)火失敗，在那之后，科學(xué)家一直在對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)試，并將優(yōu)化后的靶標(biāo)放入反應(yīng)室。最近的這次成功基于之前對(duì)這個(gè)龐大系統(tǒng)的多次改進(jìn)，包括新的診斷方法、新的制靶技術(shù)和激光束精度的增強(qiáng)。

國(guó)家點(diǎn)火裝置將192束激光聚焦到一個(gè)靶標(biāo)上，產(chǎn)生的溫度和壓力與熱核爆炸的內(nèi)部相當(dāng)。來(lái)源：勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

即使在國(guó)家點(diǎn)火裝置開(kāi)展首次試驗(yàn)前，圍繞它的爭(zhēng)議就沒(méi)斷過(guò)。獨(dú)立科學(xué)家對(duì)裝置的設(shè)計(jì)和管理提出了質(zhì)疑。美國(guó)能源部下屬的國(guó)家核安全管理局（NNSA）負(fù)責(zé)掌管核武器，每年為國(guó)家點(diǎn)火裝置撥款約3.5億美元。就在2016年5月，核安全管理局還在懷疑國(guó)家點(diǎn)火裝置究竟能否點(diǎn)火成功。

不過(guò)，即使是一直不看好該裝置的人，也承認(rèn)最新的突破是向前邁出的重要一步。Stephen Bodner曾是美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的等離子體物理學(xué)家，他對(duì)結(jié)果既“驚訝又高興”——前提是結(jié)果可以重復(fù)。他說(shuō)：“我很期待看到解釋該結(jié)果的科學(xué)報(bào)告。”

利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)及其合作者剛剛開(kāi)始分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但初步數(shù)據(jù)顯示，這次產(chǎn)生的能量是幾個(gè)月前實(shí)驗(yàn)的8倍，是2018年紀(jì)錄的25倍。該實(shí)驗(yàn)室的官員表示，他們之所以在論文送審和發(fā)表前就宣布實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是因?yàn)橄⒁呀?jīng)在核聚變研究領(lǐng)域傳開(kāi)了。

如果國(guó)家點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)了完全點(diǎn)火，

它對(duì)科學(xué)家了解核武器有何幫助？

理論上，國(guó)家點(diǎn)火裝置有助于進(jìn)一步理解啟動(dòng)和維持核聚變反應(yīng)所需的精確條件——某個(gè)層面上，這也是科學(xué)家在過(guò)去12年中一邊優(yōu)化裝置一邊摸索出的信息。這當(dāng)然也是核武器儲(chǔ)備管理計(jì)劃的核心問(wèn)題。

許多科學(xué)家認(rèn)為，該裝置還能通過(guò)吸引青年研究人員投身核領(lǐng)域，培養(yǎng)一支中堅(jiān)研究力量，增強(qiáng)人們對(duì)國(guó)家核武器儲(chǔ)備的信心，減少來(lái)自外部的威脅。Herrmann說(shuō)：“展現(xiàn)科學(xué)實(shí)力也是一個(gè)很重要的因素。”

國(guó)家點(diǎn)火裝置對(duì)于美國(guó)核武器儲(chǔ)備

管理計(jì)劃來(lái)說(shuō)是必不可少的嗎？

一些批評(píng)家質(zhì)疑科學(xué)家是否真的需要該裝置來(lái)維護(hù)美國(guó)的核武器。他們說(shuō)，核武器儲(chǔ)備管理計(jì)劃已經(jīng)增強(qiáng)了人們對(duì)美國(guó)國(guó)家核安全局核儲(chǔ)備的信心，而且該機(jī)構(gòu)正在提議建造真正的新式核武器，而不是單純地維持現(xiàn)有儲(chǔ)備而不做改動(dòng)。

美國(guó)科學(xué)家聯(lián)盟核信息項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)人Hans Kristensen說(shuō)：“這要么顯示了他們的狂妄自大，要么顯示了他們信心十足，即使沒(méi)有國(guó)家點(diǎn)火裝置，他們也能造出未來(lái)50年內(nèi)我們需要的東西?！?/p>

Herrmann認(rèn)為，國(guó)家點(diǎn)火裝置仍有用武之地。他說(shuō)，核武器科學(xué)家在評(píng)估其計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，需要從有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷。他說(shuō)，從國(guó)家點(diǎn)火裝置的更高能聚變反應(yīng)中得到的信息，能讓他們對(duì)模型進(jìn)行更直接的測(cè)試，從而減少不確定性，并幫助國(guó)家核安全局證明核武庫(kù)的核武器只會(huì)在需要時(shí)被引爆——而不會(huì)提前引爆。

國(guó)家點(diǎn)火裝置的下一步計(jì)劃是什么？

實(shí)驗(yàn)室官員說(shuō)，最快的終極考驗(yàn)可能在10月初，屆時(shí)要看團(tuán)隊(duì)能否重現(xiàn)其8月8日的成功。與此同時(shí)，科學(xué)家正在奮力解釋并發(fā)布他們的結(jié)果。由于該裝置的運(yùn)行條件幾乎達(dá)到了科學(xué)極限，即使是靶丸制備的微小變化或是激光器的微調(diào)，都可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生的能量高于或低于之前的實(shí)驗(yàn)。他說(shuō)：“我們無(wú)法做出一模一樣的目標(biāo)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵瓉?lái)的靶標(biāo)已經(jīng)爆炸了。”但慢慢地，他說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該能夠重復(fù)這次的成功，并在此基礎(chǔ)上推動(dòng)裝置的進(jìn)一步完善。

原文以US achieves laser-fusion record: what it means for nuclear-weapons research為標(biāo)題發(fā)表在2021年8月27日《自然》的NEWS EXPLAINER版塊上