美国国家点火装置聚变研究取得重要突破

【本刊2022年3月综合报道】2022年1月26日，《自然》杂志报道了美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）国家点火装置（NIF）研究团队的最新研究成果。该团队通过国家点火装置成功获得“燃烧等离子体”，并产生了创纪录的1.35兆焦能量，相比2020年的最高能量提高了24倍，接近了“点火”所需的1.9 兆焦能量，向成功“点火”迈进了一大步。

国家点火装置是美国核武器库存管理计划的重要组成部分，其主要作用是利用惯性约束聚变创造出极高温与高压条件，实现在实验室小规模模拟核爆炸所产生的热核反应环境，为核武器计算机模拟提供相关技术支持。

背景情况

国家点火装置是当今世界上最大和最复杂的惯性约束聚变研究装置。1972年，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的约翰·纳科尔斯首先提议建造一座基于惯性约束聚变技术的装置，由高功率激光将微克量级的冰冻氘和氚（氢的同位素）加热，以驱动聚变反应。1997年，能源部基于该提议启动了国家点火装置建设，历时12年，总耗资35亿美元，于2009年建成。

国家点火装置长200 米，宽85 米，主要由两部分组成：192 路高能量激光系统和直径10 米、重约450吨的靶室。所谓的“点火”，原理是利用192 路紫外高能激光加热靶室黑腔内壁，产生X射线，所有射线聚焦于靶室中央的冷冻靶丸，快速压缩并加热其内部的氘氚，达到超高密度和温度，从而“点燃”靶丸，实现聚变反应，释放聚变能量。

2010 年，国家点火装置进行建成后的首次综合点火验证实验，成功检验了装置的靶物理设计、激光器、靶件制造、靶件诊断、控制以及数据系统。此后能源部一直通过实验不断完善靶丸与系统设计。

2014 年，《自然》杂志刊文称，国家点火装置首次实现聚变反应能量增益（即聚变反应释放的能量超过了靶丸吸收的能量），取得重大突破。此后，为实现成功“点火”目标，国家点火装置研究团队持续开展实验，有力地推动了惯性约束聚变技术的快速发展。

解读

国家点火装置自2009 年建成后，围绕聚变“点火”开展了大量实验，取得了重要成就。2014年首次实现了能量增益，2022 年能量提高到了1.35 兆焦，已经接近于“点火”成功所需的1.9 兆焦，在惯性约束聚变技术方面迈进了一大步。

美国建设国家点火装置的目的是为国家核武器计划提供支持。2005 年，时任能源部部长博德曼表示，国家点火装置能够模拟核爆炸的温度和压力，为评价核武器性能提供关键数据。

利用国家点火装置开展聚变研究，通过测量与温度、密度和压力相关的聚变参量，并将其作为计算机模拟核爆的标定参数，有助于更加精确地模拟核武器次级和助爆裂变的某些过程，补充与核武器物理知识相关的实验数据，改进计算机模型。

几点认识

美国推动国家点火装置的“点火”实验，主要目的是保证核武库的长期安全。在禁止核试验的情况下，从短期来看，目前的核武器库存管理工作能够保证核武器的安全和性能，但是随着核武器钚弹芯不断老化，以及未来对研制新型核武器的需求，需要研发和建造新的评价和实验设施。此外，美国通过建造和运行国家点火装置，助推了聚变与核武器技术相关的多个科学领域的发展，为美国培养出高水平的科研人才梯队，使其继续保持核武器技术方面的科研与人才高地的地位。