美國國家點火裝置聚變研究取得重要突破

【本刊2022年3月綜合報道】2022年1月26日，《自然》雜志報道了美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）國家點火裝置（NIF）研究團隊的最新研究成果。該團隊通過國家點火裝置成功獲得“燃燒等離子體”，并產(chǎn)生了創(chuàng)紀錄的1.35兆焦能量，相比2020年的最高能量提高了24倍，接近了“點火”所需的1.9 兆焦能量，向成功“點火”邁進了一大步。

國家點火裝置是美國核武器庫存管理計劃的重要組成部分，其主要作用是利用慣性約束聚變創(chuàng)造出極高溫與高壓條件，實現(xiàn)在實驗室小規(guī)模模擬核爆炸所產(chǎn)生的熱核反應(yīng)環(huán)境，為核武器計算機模擬提供相關(guān)技術(shù)支持。

背景情況

國家點火裝置是當今世界上最大和最復(fù)雜的慣性約束聚變研究裝置。1972年，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的約翰·納科爾斯首先提議建造一座基于慣性約束聚變技術(shù)的裝置，由高功率激光將微克量級的冰凍氘和氚（氫的同位素）加熱，以驅(qū)動聚變反應(yīng)。1997年，能源部基于該提議啟動了國家點火裝置建設(shè)，歷時12年，總耗資35億美元，于2009年建成。

國家點火裝置長200 米，寬85 米，主要由兩部分組成：192 路高能量激光系統(tǒng)和直徑10 米、重約450噸的靶室。所謂的“點火”，原理是利用192 路紫外高能激光加熱靶室黑腔內(nèi)壁，產(chǎn)生X射線，所有射線聚焦于靶室中央的冷凍靶丸，快速壓縮并加熱其內(nèi)部的氘氚，達到超高密度和溫度，從而“點燃”靶丸，實現(xiàn)聚變反應(yīng)，釋放聚變能量。

2010 年，國家點火裝置進行建成后的首次綜合點火驗證實驗，成功檢驗了裝置的靶物理設(shè)計、激光器、靶件制造、靶件診斷、控制以及數(shù)據(jù)系統(tǒng)。此后能源部一直通過實驗不斷完善靶丸與系統(tǒng)設(shè)計。

2014 年，《自然》雜志刊文稱，國家點火裝置首次實現(xiàn)聚變反應(yīng)能量增益（即聚變反應(yīng)釋放的能量超過了靶丸吸收的能量），取得重大突破。此后，為實現(xiàn)成功“點火”目標，國家點火裝置研究團隊持續(xù)開展實驗，有力地推動了慣性約束聚變技術(shù)的快速發(fā)展。

解讀

國家點火裝置自2009 年建成后，圍繞聚變“點火”開展了大量實驗，取得了重要成就。2014年首次實現(xiàn)了能量增益，2022 年能量提高到了1.35 兆焦，已經(jīng)接近于“點火”成功所需的1.9 兆焦，在慣性約束聚變技術(shù)方面邁進了一大步。

美國建設(shè)國家點火裝置的目的是為國家核武器計劃提供支持。2005 年，時任能源部部長博德曼表示，國家點火裝置能夠模擬核爆炸的溫度和壓力，為評價核武器性能提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

利用國家點火裝置開展聚變研究，通過測量與溫度、密度和壓力相關(guān)的聚變參量，并將其作為計算機模擬核爆的標定參數(shù)，有助于更加精確地模擬核武器次級和助爆裂變的某些過程，補充與核武器物理知識相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，改進計算機模型。

幾點認識

美國推動國家點火裝置的“點火”實驗，主要目的是保證核武庫的長期安全。在禁止核試驗的情況下，從短期來看，目前的核武器庫存管理工作能夠保證核武器的安全和性能，但是隨著核武器钚彈芯不斷老化，以及未來對研制新型核武器的需求，需要研發(fā)和建造新的評價和實驗設(shè)施。此外，美國通過建造和運行國家點火裝置，助推了聚變與核武器技術(shù)相關(guān)的多個科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，為美國培養(yǎng)出高水平的科研人才梯隊，使其繼續(xù)保持核武器技術(shù)方面的科研與人才高地的地位。