美國國家點火裝置持續開展能量增益實驗

自2022 年12 月首次實現慣性約束聚變能量增益以來，美國國家點火裝置（NIF）通過不斷優化實驗條件，迄今已成功復現3次能量增益結果，展現出慣性約束聚變廣闊而光明的研究前景，顯著提升了美國在禁止核試驗背景下的核武器研究能力。

1 2023年三次復現能量增益結果

2022 年12 月，國家點火裝置在實驗中輸入2.05 兆焦耳激光能量，產生3.15 兆焦耳聚變能量，首次達成“慣性約束聚變能量增益”這一里程碑。此后，國家點火裝置又開展了至少5 次“點火”嘗試，其中2023年7月30日、10月8日、10月30日的實驗結果能夠明確證明實現了能量增益，另有6月和9月開展的2次實驗“似乎實現了能量增益”，但由于測量不確定性較高，無法采信。

能量增益效果最顯著的是7 月30 日開展的實驗，實驗中輸入2.05 兆焦耳激光能量，產生3.88兆焦耳聚變能，增益系數約1.9，超過了2022年12月的實驗結果。

10月開展的兩次實驗分別用于驗證優化激光入射方式以及提高激光能量對能量增益的影響。10月8日，研究人員在改進激光瞄準靶丸對稱性的基礎上，將入射激光能量由2.05 兆焦耳降低至1.9 兆焦耳，同樣實現能量增益，產生2.4兆焦耳聚變能，遠超2021 年相似實驗條件下獲得的結果（2021年8月，國家點火裝置輸入1.9兆焦耳激光能量，產生1.3 兆焦耳聚變能，刷新當時產能紀錄），證明了優化入射激光對稱性對提高能量增益的影響。10 月30 日，研究人員將入射激光能量提高至2.2 兆焦耳，獲得3.4 兆焦耳聚變能，增益系數約1.5。后續結果分析表明，靶丸未充分實現對稱性內爆，意味著2.2兆焦耳入射激光能量有可能獲得更大的聚變產能，研究人員計劃于2024 年2 月開展第二次2.2 兆焦耳激光打靶實驗。

2 激光能量提高及精確性控制是實現能量增益的關鍵

根據勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室披露的數據，國家點火裝置成功實現能量增益主要得益于三項措施。

一是提高入射激光能量。理論計算表明，隨著實驗中輸入能量的增加，聚變能輸出往往呈指數級增長。國家點火裝置激光器的設計輸出為1.8 兆焦耳，于2021 年增加至1.9 兆焦耳；2022 年，該裝置通過增加一種可以保護激光組件免受靶室附近飛行碎片傷害的新光學元件，將激光能量提高至2.05兆焦耳；2023年，通過在三分之二的激光束線上添加熔融硅碎片屏蔽，以及在32 個下半球激光束線上安裝金屬屏蔽，大幅降低碎片對光學部件的損傷，將激光能量提高至2.2 兆焦耳；未來，技術人員計劃通過設施升級，將激光能量提高至3 兆焦耳，從而獲得近30兆焦耳的聚變產能。

圖1 國家點火裝置迄今能量增益實驗結果

二是提高入射激光對稱性。技術人員2023年完成了高保真脈沖整形（HiFiPS）系統的部署工作。該系統能夠實現更精確的脈沖整形，進而在內爆中實現更好的功率平衡和對稱性控制。此外，通過翻新用于精確測量激光脈沖能量的光纖設施，提高光纖在中子暴露環境下的穩定性，使傳輸信號強度增強10到100倍，實現激光性能的精準控制。

三是增加靶丸包覆層厚度。此舉是為了通過增加目標膠囊的厚度來利用額外的激光能量，同時減小等離子體流動不穩定性的影響。

為促進國家點火裝置發展，2023 年12 月7日，美國能源部宣布將在未來四年為“慣性約束聚變能科學技術加速研究”（IFE-STAR）計劃提供4200 萬美元資助，該計劃的目標之一即為國家點火裝置開發更高效的激光系統。研究人員正在通過提高激光能量、改善激光脈沖以產生更對稱的內爆等途徑，圍繞上述關鍵技術開展攻關，以期獲得更高的能量增益系數。

3 實驗能力攀升有助于美國提高核武器研究水平

國家點火裝置建造初衷是為了保持美在禁止核試驗背景下的核武器研究能力。該裝置可以模擬類似核爆時的極端實驗條件（溫度超過1億攝氏度，壓力超過大氣壓1000 億倍），幫助研究人員優化其核武器爆炸計算機模型，減少不確定性，從而在不直接引爆的情況下驗證美國庫存核武器的可靠性；加深研究人員對核聚變反應啟動及維持所需精確條件的理解；開展核武器電子元件在作戰時強輻射條件下工作測試等。2015—2022 年，國家點火裝置平均每年開展400 次打靶實驗，其中用于支持國家核軍工管理局“核武器庫存管理計劃”開展的高能密度實驗與國家安全應用實驗次數超過70%。國家點火裝置已被用于巡航導彈W80-4 彈頭的老化材料替代方案評估實驗以及新材料的耐輻射實驗等。

雖然美國能源部聲稱，國家點火裝置實現能量增益對于“核聚變商業應用”研究具有積極意義，但考慮到慣性約束核聚變的反應頻次低（國家點火裝置通常一天僅開展一次點火實驗）、電能到聚變能轉化效率低（小于1%）等問題，利用慣性約束聚變開展聚變發電應用示范仍需解決靶丸制備、燃料放置及對準、脈沖再儲能、能量提取等諸多工程技術難題。

4 結語

國家點火裝置于2009 年投運，大部分設備及部件已運行超20 年，該裝置的理論設計壽期將持續至2040 年。為了確保該裝置在設計壽期內能夠繼續為庫存管理計劃提供服務，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室于2023年啟動一項為期五年的維持計劃，包括緊急翻新、資本重組和改進。2023年是維持計劃的第一年，重點是開展采購前期工作，增加執行項目所需的必要額外人員等，2024年的計劃包括大型科研項目的規劃和設計，預計2027年完成維持計劃。

國家點火裝置作為支撐美國“核武器庫存管理計劃”的重要實驗裝置，在短時間內多次成功復現凈能量增益實驗結果，標志著該裝置在提供實驗室受控狀態下的模擬核爆條件的重大提升。該裝置計劃通過擴建激光系統、優化光學元件等方式，進一步提升能量增益效果，有望為美開展核武器相關研究提供更優異的實驗條件。