NIF(世界上最大的激光核聚变装置——美国国家点火装置（NIF）)

2009年3月31日利弗莫尔实验室又举行了一次竣工典礼，这次是为了美国国家点火装置（NIF）。NIF不会面临关停，但它是在巨大压力下运行的。NIF的资助方属于美国能源部的国家核安全局（NNSA），他们想要从这台装置的巨额开销中得到投资回报，而且想要短期的回报。几年以前，NIF还在建造的同时， NNSA的官员们和一些高级研究员制定了一份尽快实现点火的计划，这样能提供一个跳板，以便他们利用这台装置实施计划想做的所有事情：武器研究，基础科学，当然还有聚变能。

国家点火运动（NIC）始于2006年，包括设计NIF的入射靶，以及模拟这些靶丸可能发生的状况。其他实验室也参与NIC，包括罗彻斯特大学的激光能量实验室（LLE）和其欧米迦（Omega）激光器，也有桑迪亚国家实验室的Z装置，该实验室研究惯性约束核聚变利用的是超高功率电脉冲而非激光器。这些设备能够在较低的能量下实验，其中一些最终被用在了NIF上。

到NIF试运行时NIC已有三年的历史了，研究人员自信地认为，他们有能力做到点火。在NIF上还要做许多校准和调试，以便研究人员能做射击氘-氚燃料靶实验，也就是到2010年要完全具备点火的能力。但NIF工程小组说2009年末可能完全达到他们的目标。

NIF真是一台令人惊叹的机器。光是它的个头就足以让人窒息:整栋建筑的大小能装下一个足球馆，有十层楼那么高。里面是一台激光器，它的巨大和威猛会让一个詹姆斯·邦德的敌人吓得痛哭流涕。在密布的金属，漆成白色的钢制上层建筑和整齐成捆的线缆之中，有种安静地嗡嗡声。这个地方给人感受是，有种巨大能量亟待发泄。

这台装置的心脏是一个小到不起眼的光纤激光器产生一束普通的红外线光束，据测量其能量只有十亿分之一焦耳。这个光束被分成四十八个小光束，每一束穿过一个单独的预放大器，即一根掺钕的玻璃。就在这束脉冲到达之前，预放大器用氙闪光灯泵浦能量，然后当这个光束穿过时，这些能量即被倾注进去了。在四次穿过这些预放大器后，这四十八个光束的能量已经被放大百亿倍，达到6焦耳左右。而后这些光束每个被分成四个束线——产生总共192束光——穿过NIF的主放大器。这些放大器占据了这一设施多孔前厅的大部分空间，是由3072块钕玻璃平板（每片将近一米长且重达42千克）和7680个闪光灯组成的阵列泵浦。光束在几次穿过放大器后，总能量达到6兆焦，并转向编组站。

编组站是一个钢梁结构，用来支撑管道和转向镜子，引导光束从不同方向向球形靶室的周围聚集。靶室本身直径10厘米，由10厘米厚的铝做成，外面加有30厘米混凝土的护封，能够吸收核聚变反应辐射出的中子。这个防护球刺有许多孔：方形的是激光入孔，圆形的用作观察端口，接入大量研究核聚变反应的诊断仪器。光束在进入靶室之前，必须经过一个关键的终端光学开关。这些开关采用KDP晶片，它能转换由钕玻璃激光器发出的1053纳米波长的红外光线，第一次变成绿光（527纳米），之后转换为紫外光（351纳米），因为这种缩短的波长对聚变靶丸的内爆更有效。

最后，这些光束的大部分旅程是透过40厘米厚的防护层，接着它们穿过实验腔两端3毫米宽的入孔，聚焦到腔体靶室中间的芯部。虽然机器的个头很大而且浑身蛮力，但是激光器的终端反应设备必须针尖般纤细并且极其精密。实验腔被一根7米长的机械臂固定在靶室的正中心。这个定位臂必须保持靶绝对稳定，准确地定位斑点，精度比一张纸的厚度都要薄。这个臂也具有一套冷却系统，能将靶的温度降到-225℃，好让氘氚燃料冻结在靶丸内壁上。

NIF的一次发射像这样运行的：初始的光纤激光器发出一束短激光脉冲，大约200亿分之一秒长，然后穿过预放大器，放大器和终端光学组件，在进入靶室之前形成了192束紫外光，总能量达到了1.8兆焦。这粗略地等价于一辆2吨重的卡车时速160千米（100英里/小时）的动能，但是由于这束光脉冲只有几十亿分之一秒长，它的电能是巨大的，一秒大概500万亿瓦，是同一时刻整个美国用电量的1000倍。一旦那种能量聚集在空腔上，空腔里面的东西就会发生急剧地变化。这192束光通过顶部和底部的入孔被导入到腔体的内表面。内表面被瞬间加热到非常高的温度，导致内表面发射出一束X射线脉冲。空腔内部突然变成一个极热的灶，据说温度达到4百万℃，那里面弥漫着X射线。靶丸的塑料外壳开始蒸发，而且在高速地飞散。靶丸材料的喷射行为就像一枚火箭，迫使塑料壳的其余部分和核聚变燃料朝靶丸中心内聚。

如果NIF的科学家们所做的一切都没有问题，那么这种向内驱动将会是完全对称的，并且氘氚燃料会被压缩成一个极小的颗粒，直径只有一毫米的千分之三十左右，密度是铅的100倍。颗粒的核心温度会超过1亿℃，但是即使这样仍不足以引发聚变。这束激光脉冲藏有一个最后的妙计能够提供点火火花。如果时序精确，那么就在颗粒达到最大压缩量时，由初始激光脉冲会聚的一束球形激波应该恰好抵达颗粒的中心热斑上。一旦反应开始，每次聚变产生的高能阿尔法粒子加热热斑周围稍冷的燃料。这会导致更多次聚变，产生更多的阿尔法粒子，反应获得自己的动力和增益—创造了核聚变的历史！一次完美的发射可以产生18兆焦的能量，是注入激光束的十倍。

2010年利弗莫尔的研究人员开始他们的NIC实验，当时的目标是处理一系列的事件。第一个未知数是激光器是否能胜任这项工作。NIF的批评者们警告说激光器技术还不能负荷这么高能的机器。他们预言当大量的能量透过光学镜片时，这会导致镜片过热并破裂；玻璃表面的灰尘微粒也会变热并损坏它们；闪光灯会不时出现爆裂，并且需要更换。在NIF建造过程中存在电容器和闪光灯爆炸的问题，于是在着手处理光学玻璃时整个系统不得不重新设计，使它保持像半导体生产车间那样洁净。NIF的设计师们把这些工作做的很好。当他们最终启动机器并加大能量时过去的头两年，激光器并没有把它自己撕成碎片。偶尔有的灯确实爆裂了，损坏了一些光学元件表面，但是NIF的工作人员早已找到了解决办法，即要么修复表面，要么遮住受损的部分 这样激光器就能维持运转。

利弗莫尔的研究者们从早先研制的机器里知道，让激光器运行只是开始：无数的障碍仍摆在面前。一旦产生激光脉冲，头一个障碍是空腔里边的混沌环境。当高能光束加热内壁时，它们激起很多金原子在空腔里边形成一束等离子体。如果这不被小心地加以控制， 这束等离子体能导致严重的破坏，削弱注入光束的能量，使光束偏离期望的路径，甚至反射一些光束回退出空腔的入孔。这样的相互作用曾经限制早期激光核聚变装置的成效，NIF的项目组认真地研究这个问题，并进行了大量的模拟。在NIC的早期实验中研究团队主要是设法保持这些等离子体的相互作用在可控的范围，大部分是通过避免出现已知的恶化状况。

另一个潜在的困难领域是靶丸内爆。内爆是一种固有的不稳定的情况，因为它需要一种高密度的材料-塑料外壳-推向一个低密度的材料-核聚变燃料，这种瑞利·泰勒不稳定性能够致使燃料冲破自身的限制。对付这种情况，研究人员的第一位武器是对称，也就是光束要精心地环绕空腔内部来定位，以确保X射线均匀地加热靶丸。他们的第二位武器是速度：如果他们能让内爆足够地快，塑料和燃料不会有时间爆胀变形。

实验人员使用一种计量方法被称为实验性点火临界值因素（ITFX）来记录他们的进展。ITFX是这样被定义的，一束被点燃的等离子体所具有ITFX的值为1。在NIC的第一年，ITFX的值证明了他们所取得的进步。当点火实验开始，多次发射取得一个ITFX的值为0.001。一年后，它已经达到0.1——有了一百倍的增长——但是它停滞不前。这种NIF研究团队无法解释的现象，困扰着NIC第二年的实验。虽然靶室插满了诊断仪器——总共将近六十种——用来探测里边正在发生什么，测量X射线、中子，甚至拍摄内爆的延时摄影，研究人员想不出为什么靶丸的行为不符合计算机模拟的预测。由于未知的原因，很大一部分的激光束能量越来越偏离预定驱动靶丸内爆的目的。在内爆开始前靶丸外壳也被预热——也许由于离散的激光能量在压缩燃料时使外壳的密度降低，压缩效率也降低。内爆的速度还是太慢。在 2011 年 9 月的核聚变会议上，能源部负责科学事务的副部长，史蒂芬·库宁（Steven Koonin），专门监督NIF，说“点火着实比预期难以捉摸。”他还说，有些科学发现可能是必要的，这是客气的说“我们不知道发生了什么”。

库宁建立了一个独立的核聚变专家组，给他定期报告NIF的进展情况。这个专家组负责对NIF的调度驱动方法提出批评，指定什么靶有必要打，什么时间进行，如果什么意想不到的事情出现，不允许留任何时间去探索什么地方错了。在 2012 年年中的一份报告中，这个小组指出利弗莫尔的NIF模拟实验预测他们当时进行的击靶应该实现了点火，但测量的ITFX值显示，他们还有很长的路要走。如果模拟预测是这样宽泛的标准，模拟是一种什么样的进展指南？就如之前激光核聚变中的一样，模拟实验致使研究人员有了华而不实的期望。

当制定NIC时，它已经明确要求如果NIF上的两年实验到结束时仍实现不了点火，那么NNSA有六十天向国会报告失败的原因，可以做什么才能挽救这种局面，以及这会对将来的储存管理工作有什么影响。2012年，12月7日NNSA向国会提交它的报告，这超过了9月30日的原截止日期。该报告直言不讳地说利弗莫尔的研究人员还不清楚为什么内爆的行为不符合预测，甚至承认，究竟能否在NIF上实现点火，还言之过早。NNSA索求NIF的经费——每年大约4.5亿美元的运营费——来继续后面三年的运行，以便于研究者们能够调查为什么模拟和实测性能之间存在偏差。重要的是，该报告还呼吁在其它实现点火的方法上进行平行研究，作为以防NIF失败的备选方案。这些替代方法包括桑迪亚的 Z 装置的电脉冲核聚变，在罗彻斯特的欧米迦上使用的激光直接驱动核聚变，甚至在NIF采用直接驱动。

虽然美国总统奥巴马拟议的2014年的预算中建议削减20%的NIF经费，但并不清楚国会对这个提议会作出怎样的反应。此外，多年来一些国会议员在竞选中要求终止NIF，这种揭短的行为只能帮助他的事业。无论现在发生什么，点火的进展看来真的开始减速了，因为NIC过去在NIF上使用了约80%的击靶，而从2013年起武器科学家将会得到更大的份额，50%以上。许多激光核聚变专家仍然认为NIF能够点火，但问题是：什么时候？