科學(xué)家相信，美國國家點火裝置最近一次成功將推動對熱核反應(yīng)的理解。

8月，美國能源部一標(biāo)志性激光裝置的科學(xué)家打破了他們創(chuàng)下的紀(jì)錄：在不到一秒的時間內(nèi)產(chǎn)生了超過10萬億瓦特的聚變功率——大約是全美電網(wǎng)瞬時電力的700倍。這一突破使得沉寂已久的美國國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）再煥生機，或有望實現(xiàn)在持續(xù)聚變反應(yīng)中產(chǎn)能大于能耗的原始目標(biāo)。

美國國家點火裝置耗資35億美元建造，坐落于加州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室，其設(shè)計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)。美國政府在1992年冷戰(zhàn)結(jié)束時叫停了地下核試驗；能源部隨后提出建設(shè)國家點火裝置，作為基于科學(xué)的核武器儲備管理計劃（Stockpile Stewardship Program）的一部分，從而能在不引爆的情況下驗證國家核儲備的可靠性。

美國國家點火裝置（靶標(biāo)室如圖）有三個美式橄欖球場這么大。來源：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

對于8月取得的這一激光聚變突破，科學(xué)家謹(jǐn)慎樂觀地認(rèn)為，國家點火裝置也許能實現(xiàn)其設(shè)計初衷，幫助物理學(xué)家更好地理解核聚變的初始階段，以及后來的引爆階段?！斑@是擺在我們面前的科學(xué)問題，”利弗莫爾基礎(chǔ)武器物理學(xué)副主任Mark Herrmann說，“我們接下來該往哪兒走？能走多遠？”

在此，《自然》回顧了國家點火裝置走過的漫長歷程，探討了這次點火成功對于美國能源部的核武器儲備管理計劃有何意義，以及未來可能實現(xiàn)的新突破。

國家點火裝置如何實現(xiàn)核聚變？

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

這個圓柱體內(nèi)有一個冷凍的氘氚（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受熱、聚變，并產(chǎn)生氦核、中子、電磁輻射；與此同時，圓柱體會發(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，就會發(fā)生“點火”現(xiàn)象。8月8日實驗的初步結(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％——幾乎點火成功。

為何2009年就開始運轉(zhuǎn)的國家點火裝置

花了這么久才（近乎）點火成功？

沒有人說點火很容易，但事實證明，建設(shè)國家點火裝置比政府最初預(yù)料的更復(fù)雜。國家點火裝置于1997年開工建設(shè)，耗時10多年才竣工，比計劃的進度落后了好幾年，預(yù)算超支至少24億美元。

國家點火裝置在2012年嘗試點火失敗，在那之后，科學(xué)家一直在對裝置進行調(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這個龐大系統(tǒng)的多次改進，包括新的診斷方法、新的制靶技術(shù)和激光束精度的增強。

國家點火裝置將192束激光聚焦到一個靶標(biāo)上，產(chǎn)生的溫度和壓力與熱核爆炸的內(nèi)部相當(dāng)。來源：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

即使在國家點火裝置開展首次試驗前，圍繞它的爭議就沒斷過。獨立科學(xué)家對裝置的設(shè)計和管理提出了質(zhì)疑。美國能源部下屬的國家核安全管理局（NNSA）負責(zé)掌管核武器，每年為國家點火裝置撥款約3.5億美元。就在2016年5月，核安全管理局還在懷疑國家點火裝置究竟能否點火成功。

不過，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曾是美國海軍研究實驗室的等離子體物理學(xué)家，他對結(jié)果既“驚訝又高興”——前提是結(jié)果可以重復(fù)。他說：“我很期待看到解釋該結(jié)果的科學(xué)報告。”

利弗莫爾國家實驗室團隊及其合作者剛剛開始分析實驗結(jié)果，但初步數(shù)據(jù)顯示，這次產(chǎn)生的能量是幾個月前實驗的8倍，是2018年紀(jì)錄的25倍。該實驗室的官員表示，他們之所以在論文送審和發(fā)表前就宣布實驗結(jié)果，是因為消息已經(jīng)在核聚變研究領(lǐng)域傳開了。

如果國家點火裝置實現(xiàn)了完全點火，

它對科學(xué)家了解核武器有何幫助？

理論上，國家點火裝置有助于進一步理解啟動和維持核聚變反應(yīng)所需的精確條件——某個層面上，這也是科學(xué)家在過去12年中一邊優(yōu)化裝置一邊摸索出的信息。這當(dāng)然也是核武器儲備管理計劃的核心問題。

許多科學(xué)家認(rèn)為，該裝置還能通過吸引青年研究人員投身核領(lǐng)域，培養(yǎng)一支中堅研究力量，增強人們對國家核武器儲備的信心，減少來自外部的威脅。Herrmann說：“展現(xiàn)科學(xué)實力也是一個很重要的因素?！?/p>

國家點火裝置對于美國核武器儲備

管理計劃來說是必不可少的嗎？

一些批評家質(zhì)疑科學(xué)家是否真的需要該裝置來維護美國的核武器。他們說，核武器儲備管理計劃已經(jīng)增強了人們對美國國家核安全局核儲備的信心，而且該機構(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)有儲備而不做改動。

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

Herrmann認(rèn)為，國家點火裝置仍有用武之地。他說，核武器科學(xué)家在評估其計算機模擬時，需要從有限的實驗數(shù)據(jù)進行推斷。他說，從國家點火裝置的更高能聚變反應(yīng)中得到的信息，能讓他們對模型進行更直接的測試，從而減少不確定性，并幫助國家核安全局證明核武庫的核武器只會在需要時被引爆——而不會提前引爆。

國家點火裝置的下一步計劃是什么？

實驗室官員說，最快的終極考驗可能在10月初，屆時要看團隊能否重現(xiàn)其8月8日的成功。與此同時，科學(xué)家正在奮力解釋并發(fā)布他們的結(jié)果。由于該裝置的運行條件幾乎達到了科學(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驗。他說：“我們無法做出一模一樣的目標(biāo)實驗，因為原來的靶標(biāo)已經(jīng)爆炸了。”但慢慢地，他說，研究團隊?wèi)?yīng)該能夠重復(fù)這次的成功，并在此基礎(chǔ)上推動裝置的進一步完善。

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