美国再创激光聚变纪录：对核武器研究有何意义？

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美国再创激光聚变纪录：对核武器研究有何意义？

Original Nature Portfolio Nature Portfolio  2021-12-23 12:40

原文作者：Jeff Tollefson

科学家相信，美国国家点火装置最近一次成功将推动对热核反应的理解。

8月，美国能源部一标志性激光装置的科学家打破了他们创下的纪录：在不到一秒的时间内产生了超过10万亿瓦特的聚变功率——大约是全美电网瞬时电力的700倍。这一突破使得沉寂已久的美国国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）再焕生机，或有望实现在持续聚变反应中产能大于能耗的原始目标。

美国国家点火装置耗资35亿美元建造，坐落于加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，其设计目的不是为了作为发电厂的原型，而是为了研究热核武器核心的聚变反应。美国政府在1992年冷战结束时叫停了地下核试验；能源部随后提出建设国家点火装置，作为基于科学的核武器储备管理计划（Stockpile Stewardship Program）的一部分，从而能在不引爆的情况下验证国家核储备的可靠性。

美国国家点火装置（靶标室如图）有三个美式橄榄球场这么大。来源：劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

对于8月取得的这一激光聚变突破，科学家谨慎乐观地认为，国家点火装置也许能实现其设计初衷，帮助物理学家更好地理解核聚变的初始阶段，以及后来的引爆阶段。“这是摆在我们面前的科学问题，”利弗莫尔基础武器物理学副主任Mark Herrmann说，“我们接下来该往哪儿走？能走多远？”

在此，《自然》回顾了国家点火装置走过的漫长历程，探讨了这次点火成功对于美国能源部的核武器储备管理计划有何意义，以及未来可能实现的新突破。

国家点火装置如何实现核聚变？

国家点火装置有十层楼那么高，三个橄榄球场那么大，装置内部有一系列光学器件和镜子，可以增强初始光子脉冲，并分解成192束紫外激光，再将它们聚焦在一个比铅笔头橡皮擦还要小的靶点上。这些光束会在不到40亿分之一秒的时间内以约1.9兆焦耳的能量轰击靶标——一个黄金圆柱体，产生仅在恒星与热核爆炸中才能达到的温度和压力。

这个圆柱体内有一个冷冻的氘氚（氢的同位素）小丸，在这样的脉冲功率下，小丸核心处的氘氚会受热、聚变，并产生氦核、中子、电磁辐射；与此同时，圆柱体会发生塌陷。这里的目标是释放具有连锁反应的粒子，产生更多核聚变反应和更多的粒子，从而引发可持续的核聚变反应。根据定义，当核聚变反应产生的能量大于其消耗的能量时，就会发生“点火”现象。8月8日实验的初步结果表明，核聚变反应破纪录地产生了其消耗能量的70％——几乎点火成功。

为何2009年就开始运转的国家点火装置

花了这么久才（近乎）点火成功？

没有人说点火很容易，但事实证明，建设国家点火装置比政府最初预料的更复杂。国家点火装置于1997年开工建设，耗时10多年才竣工，比计划的进度落后了好几年，预算超支至少24亿美元。

国家点火装置在2012年尝试点火失败，在那之后，科学家一直在对装置进行调试，并将优化后的靶标放入反应室。最近的这次成功基于之前对这个庞大系统的多次改进，包括新的诊断方法、新的制靶技术和激光束精度的增强。

国家点火装置将192束激光聚焦到一个靶标上，产生的温度和压力与热核爆炸的内部相当。来源：劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

即使在国家点火装置开展首次试验前，围绕它的争议就没断过。独立科学家对装置的设计和管理提出了质疑。美国能源部下属的国家核安全管理局（NNSA）负责掌管核武器，每年为国家点火装置拨款约3.5亿美元。就在2016年5月，核安全管理局还在怀疑国家点火装置究竟能否点火成功。

不过，即使是一直不看好该装置的人，也承认最新的突破是向前迈出的重要一步。Stephen Bodner曾是美国海军研究实验室的等离子体物理学家，他对结果既“惊讶又高兴”——前提是结果可以重复。他说：“我很期待看到解释该结果的科学报告。”

利弗莫尔国家实验室团队及其合作者刚刚开始分析实验结果，但初步数据显示，这次产生的能量是几个月前实验的8倍，是2018年纪录的25倍。该实验室的官员表示，他们之所以在论文送审和发表前就宣布实验结果，是因为消息已经在核聚变研究领域传开了。

如果国家点火装置实现了完全点火，

它对科学家了解核武器有何帮助？

理论上，国家点火装置有助于进一步理解启动和维持核聚变反应所需的精确条件——某个层面上，这也是科学家在过去12年中一边优化装置一边摸索出的信息。这当然也是核武器储备管理计划的核心问题。

1992年以来，物理学家一直在开展一个综合性项目——借助日益强大的超级计算机，以及用来测试从核材料、核部件到核爆炸物的几十种科研装置，来研究美国的核武库。虽然国家点火装置不会引爆微型炸弹，但Herrmann表示，它的实验可以帮助科学家改善他们用于模拟武器爆炸的计算机模型，减少不确定性。其他实验可以测试核武器中的电子元件等组件如何在交战时的强辐射下正常工作。

许多科学家认为，该装置还能通过吸引青年研究人员投身核领域，培养一支中坚研究力量，增强人们对国家核武器储备的信心，减少来自外部的威胁。Herrmann说：“展现科学实力也是一个很重要的因素。”

国家点火装置对于美国核武器储备

管理计划来说是必不可少的吗？

一些批评家质疑科学家是否真的需要该装置来维护美国的核武器。他们说，核武器储备管理计划已经增强了人们对美国国家核安全局核储备的信心，而且该机构正在提议建造真正的新式核武器，而不是单纯地维持现有储备而不做改动。

美国科学家联盟核信息项目领导人Hans Kristensen说：“这要么显示了他们的狂妄自大，要么显示了他们信心十足，即使没有国家点火装置，他们也能造出未来50年内我们需要的东西。”

Herrmann认为，国家点火装置仍有用武之地。他说，核武器科学家在评估其计算机模拟时，需要从有限的实验数据进行推断。他说，从国家点火装置的更高能聚变反应中得到的信息，能让他们对模型进行更直接的测试，从而减少不确定性，并帮助国家核安全局证明核武库的核武器只会在需要时被引爆——而不会提前引爆。

国家点火装置的下一步计划是什么？

实验室官员说，最快的终极考验可能在10月初，届时要看团队能否重现其8月8日的成功。与此同时，科学家正在奋力解释并发布他们的结果。由于该装置的运行条件几乎达到了科学极限，即使是靶丸制备的微小变化或是激光器的微调，都可能导致系统产生的能量高于或低于之前的实验。他说：“我们无法做出一模一样的目标实验，因为原来的靶标已经爆炸了。”但慢慢地，他说，研究团队应该能够重复这次的成功，并在此基础上推动装置的进一步完善。

原文以US achieves laser-fusion record: what it means for nuclear-weapons research为标题发表在2021年8月27日《自然》的NEWS EXPLAINER版块上