2014年初，美国NIF装置宣传他们实现了产出净正能量的聚变反应。聚变领域的科学家们对这一进步欢欣鼓舞——但距离实现可持续聚变能源的道路仍旧漫长而充满未知。
2014年2月，美国LLNL实验室，NIF装置。以激光驱动核聚变为目标的科学家们实现了一个里程碑式的突破：聚变反应产出的能量比激发其聚变的能量更高了。这份报告几乎恰好在该装置进行首次192路空腔测试的五年后问世。当NIF在证实激光聚变的道路上刚开了个好头，之后又陷入重重技术问题的当口，该报告的问世无疑带来了一些受人欢迎的好消息。
通过反思产生使聚变发生的内爆的方法，特别是对激光脉冲波形进行整形以减少困扰此项目很久的不稳定性，NIF的工作团队终于得以实现这次里程碑式的进步。然而，尽管实现了净能量产出是一个重要的进展，但实现装置点火的核心目标——产生可以自持的聚变反应——还需要有很多年的努力。本文是对迄今为止NIF走过的激光聚变的道路的总览，并揭示其未来的道路可能在何方。
概念提出：在地球上创造一颗恒星
自从发现热核聚变是太阳的能源时，科学家们就已经梦想能驾驭这种聚变的能量。但是太阳巨大的重力使得其实现聚变轻而易举——将氢原子和聚合到一起，形成氦核并释放巨大的能量，同时这一过程可持续进行，成为可自持的燃烧——而这在地球上极难实现的，在过去60年中人们一直无法实现大强度或稳定的热核聚变。目前的大部分研究特别集中磁约束聚变方法上。
随着激光技术的发明和进步，另一种可能实现聚变的方法问世了。惯性约束聚变通常由高功率激光将微克量级的冰冻氘和氚加热，以驱动聚变反应，从而实现点火目标。1972年，LLNL实验室的John
Nuckolls和同事们提议建造这样的一个装置，并草拟了激光功率，脉冲波形，球对称性等关键变量的设计要求。 十年后，Nuckolls和同事们进一步细化了这一概念，提议将样品燃料球放置在黑体辐射腔内。概念中，激光轰击到黑体辐射腔内后转化为X射线，进而X射线将烧蚀靶球并激发内爆。这一基本框架——即所谓的间接驱动方法——凝聚了NIF人为了点火默默的付出。
图1 金制圆柱黑体辐射腔，尺寸大概相当于一块橡皮，内置胡椒子大小的聚变燃料靶丸 NIF该如何工作
为了在地球上实现瞬间能够媲美恒星和行星内核的1亿度高温和一千亿倍大气压的超高温超高压环境，NIF的大量工作始于一个9.425mm长，5.75mm直径的金制圆柱空腔，即黑体辐射腔。在辐射腔内是一个2mm的球体，内含一个冰冻的氘-氚球混合冷冻的氘-氚气体。该球体包裹在掺杂硅的塑料外壳内。黑体辐射腔的靶——其尺寸就如同铅笔上的橡皮那么大——放置在一个10米直径的球形靶室内，而该靶室又位于NIF装置的“中央车站”内，那是一个混凝土制的围墙，其高度和直径都是30米。
以激光向黑体辐射腔的轰击过程始于一束能量很弱的激光脉冲(大约1nJ)，经过NIF一系列的掺钕玻璃前置放大器和主放，最终的总能量将被放大到1.9MJ。这一巨大的能量经由192路分离的激光放大光束传递到黑体辐射腔内，自适应光学件(变形镜等用来校正波前误差)和其他一系列装置用来提供光束质量，控制光束特性，将红外光转变为紫外光，并聚焦到豌豆大小的黑体辐射腔内。从开始传输到最终进入靶室，光束共传输了1500米——历时大约5μs——且最终打靶的精度控制在50μm以内。
当聚焦的光束同时射入金制的黑体辐射腔内时，会在内部产生X射线，并急速加热燃料芯块的掺硅塑料包层。靶球的剩余部分将向内进行内爆，压缩内部的燃料块，并产生一个冲击波附加更多热量到燃料块上，由此产生“点燃”效果。虽然激光照射在靶上的时间约20ns，但大部分的核反应在“声爆时间”内就发生了，这个时间短到大概只有100~200ps。
如果内爆是对称发生的，且内爆速度足够大(约700，000英里/时)，氘和氚原子将在千亿分之一秒内聚合到一起，发生聚变反应，并产生出比太阳核心温度还要高的高温。聚变反应将生成Alpha粒子(氦核)和中子。Alpha粒子将附带能量进入氘-氚燃料内，加热燃料并增加聚变反应的比例，从而产生更多Alpha粒子，这就是已知的“热点区”。
这一链式反应表明了氘-氚燃料的燃烧速度如何提速并最终达到自持的——达到能够进行增殖燃烧或者点火。终极目标是实验室内的人造恒星将能产出10~100倍于将其点火的能量。
建造NIF
尽管外界关于NIF的舆论总把聚变能与潜在的能源联系在一起，其实该装置最初的目的更多的是倾向核武器而非核能源。上世纪90年代，美国核武器计划由设计与开发新武器转变为拆除现存的武器。能源部创立了储备管理计划，以在不进行全面地下核试验的基础上维持美国核威慑力量的“安全，保密与可靠”。
NIF当初的设计是该计划的一部分，为了给科学家们提供一种在可控环境下观察和检测热核反应的方法，以及在给定时间内，做到比地下试验执行更多次的实验。NIF的注资和监管因此由国家核能安全管理局NNSA负责，而不是通过能源部的聚变能项目注资，后者主要集中研究磁约束聚变方面。 1997年NIF在LLNL动工开建，预计花费12亿美元，并于2002年竣工。在2000年，政府会计办公室发现建设监督和管理不善，已经比预计标价多出10亿美元。最终该建设项目花费 35亿美元，且比计划晚了十年建成。
建设成果：一个庞大无比的装置(3个足球场可以容纳在10个主建筑里)，内置已知建造的最大的激光器和最大的光学仪器，包含7500个直径超过30cm的光学件以及超过30000个更小的光学件。)
多灾多难的开始
NIF首次192路同时发射入靶室是在2009年2月26日，而最早开始低温内爆实验是在2010年9月。最初的37次实验，至2012年9月截止，相关实验属于由NIC的一部分，NIC计划计划于2006年，旨在于2012年9月在NIF装置上实现点火。除了LLNL，NIC的参与者还有Sandia国家实验室，Rochester大学的激光能量实验室，MIT，Lawrence Berkeley国家实验室，英国的原子能武器公司和法国的原子能委员会。
装置建成初始，基于电脑模型和模拟实验结果，研究人员的心态普遍乐观，甚至有的科学家已经不仅仅将目光局限于点火上，而是想建成一座聚变反应的原型机。
然而，尽管NIF装置的激光表现得相当好，但人们发现，实际操作中实现理论模型中预测的Alpha粒子生成和中子增益是非常困难的，并且由于各种因激光与黑体辐射腔和其内氦粒子发出的电子和等离子体存在相互作用而导致的样品反应等细节问题而停滞。
惯性约束聚变包含对靶球的加热，其内部核燃料将在约350Gbar的压力下压缩到惊人的密度。但这样的压力必须覆盖整个靶球，并必须避免3D效应，如基于压力不平均导致的凸起或皱褶。Richard Petrasso，MIT等离子体技术与聚变中心高能密度物理的高级研究人员和部门主任，将其形容为试着压缩两块凝胶，“把凝胶的半径压缩30倍，并且不能有一丝一毫的凝胶从你的指缝中漏出”。
科学家们还得处理复杂的黑体辐射腔内激光-等离子体相互作用。当1.9MJ的激光轰击到辐射腔内时，大约70%的能量转变为X射线，仅有不到10%的能量被靶球吸收，而不到1%的能量真正进入燃料。剩余的能量经由产生低密度等离子体，诸如受激布里渊散射，受激拉曼散射之类的激光等离子体相互作用，以及从入口处漏出的X射线等方式损失掉了。
另一个关键的问题在于“烧蚀材料”——燃料块外的塑料包层，正是其燃烧爆炸驱动了氢燃料的内爆——很显然其材料会混合到燃料中去，并且对氘-氚热斑区造成污染。
这些问题的结果和其他问题：截止2012年9月NIC的最后日期，中子产额比实现Alpha粒子加热和增殖燃烧要求的少3~10倍，且燃料的压缩程度仅为预计实现点火所要求的压力的一半。是时候退一步好好想想另一种方法了。
图2 ① 一个1nJ的脉冲在主振荡器内产生，并分成48束。每束光由光纤传输至前置放大器； ② 放大的脉冲分成四束光束，注入到主光路里；③ 脉冲通过助推放大器，进入主放系统，并在主放内来回四程放大；④ 再次通过助推放大器后，放大后的光束通过一系列光束调整反射镜传输出去 从“低前沿”到“高前沿”
多年低于模拟预测的中子产出，使物理学家们怀疑烧蚀前驱动的不稳定性可能是罪魁祸首。此外，内爆存在不对称性，靶球本身也有一定的缺陷。这些和其他的一些问题限制了靶球的压缩能力。由Omar Hurricane领导的一支LLNL队伍开始着手采用对激光脉冲进行整形而不是改变样品特性的方法来解决问题。
在NIC那段不成功的岁月里，NIF装置采用的是“低前沿”方法：激光先以很低的功率轰击在靶球上，在脉冲的上升前沿时间内在辐射腔内产生很低的初始辐射温度。功率随着脉冲上升而增加，在四次冲击后到达最大，并烧蚀靶球外壳层，使内部燃料发生内爆。
Hurricane领导的团队开发了一种新的方法，称为“高前沿”方法，指一种激光脉冲波形修正，旨在通过以更强的初始冲击波轰击靶球来减少流体力学不稳定性。“激光功率早先是现在的两倍，净效应是减少了内爆的流体力学不稳定性，但同时其代价是内爆的压缩性降低。”Hurricane说道，“此外，现在新的波形使得三次冲击后发生内爆而不是之前的四次，这也有助于提高流体力学稳定性。最终，全脉冲长度在时间上得以缩短。”——约为15ns，而先前实验中则为22ns。
通过使用高前沿方法，该团队在二月报道称，首次发现等离子体辐射出的能量超过了储存在氘氚聚变燃料内的能量。这距离NIC2012年实现点火的目标还有很长的路要走，但仍不失为一个重要的里程碑。
图3 接上面⑤光束到达终端光学件，将脉冲由IR转变为UV，然后聚焦在靶球上。192路光路的放大系统将最初1nJ的脉冲放大至最终1.9MJ。靶球是一个小小的三层球体：塑料外壳，冰冻氘-氚，气态氘-氚核心
图4 高前沿和低前沿的对比，更快的启动通过改变脉冲形状和宽度，更早时间内传输更多能量，NIF团队得以减少样品的流体力学不稳定性 三步点火：1) 激光从黑体辐射腔两端进入辐射腔，轰击在腔的内表面上并加热内表面，产生X射线。2) X射线向中心传输，加热并烧蚀靶球外壳。3) 靶球的剩余部分发生内爆，加速向内运动并触发聚变反应。
“Omar和他的团队采用的方法就是退一步，然后说让我们试着做点不要那么有雄心壮志的事。”Petrasso说道。Petrasso的实验室研制了使用在NIF装置上的诊断系统，用以评估内爆情况，Petrasso本人已经在惯性约束聚变领域工作了25年。“而且他们做的那些事使得内爆更符合1D的情况。”
尽管由近期实验报道的净能量还很小——“我们最好的结果是27kJ，”Hurricane说道，这表明在能量输出方面有一个数量级的提升，并且振奋人心。还有更振奋的，高前沿方法获取了创记录的中子产额和Alpha粒子生成。在最近6到8个月的发次中，“基本上半数由内爆产生的中子来源于Alpha粒子加热。”Petrasso说道。
“在决定性的测试之前，大量的时间中，团队的情感能量和心理能量是必要的，因此我们很满意地看到事情顺利开展，并取得实质性的收获。”Hurricane说道，“每一次实验都令人紧张，而我们的团队表现得很勇敢，他们使每次发射都成功进行。”
NIF的下一步
紧跟着高前沿方法的初步成功，下一年对NIF装置将是忙碌的一段时间。在 2012年向国会做出的关于NIC的不足与前景的年度总结报告中，国家核能安全管理局提出了一个三年计划以更好地理解点火的物理意义，并由此对点火是否能够实现以及如何实现做出决策。该决策的截止日期是2015年10月。
自二月报告发布以来，NIF的研究人员在一个新计划的时间安排范例下进行了一系列的“迷你运动”，除了别的以外，还要减少目标发次间的时间间隔。该团队也针对黑体辐射腔探索新的策略。“直至目前，”二月的团队报告中如此写道，“黑体辐射腔物理限制了我们既使用NIF全功率容量的同时又保持一个可接受的热点区的形状的能力。”
“从技术角度上讲，主要的挑战之一在于精确的灵巧的控制。”Hurricane说道，“我们需要更好地控制处在飞行中的内爆的形状，此外还要更好地控制脉冲波形，以便既保持采用新方法获得的内爆稳定性优势，同时又能避免如我们目前这般向氘-氚燃料引入过多的熵。”
然而该项目距离点火仍有很长的路要走。“现在最大的限制是激光能量。”Hurricane说道，要解决的还有更多，“我们试着进一步精密控制脉冲波形，某种程度上使我们能比目前更好地对内爆进行控制，同时也使内爆的压缩程度更进一步。聚变燃料压缩得更紧密能降低点火的能量要求。”“我认为这个方法非常重要，它使我们看到凭借此方法我们能走多远。这个方法可能不一定能最终实现点火，”Petrasso说道，“但很明显它使我们离这目标前进了大大的一步。”
通向聚变核能的漫漫长路
如果NIF采用的间接驱动方法最终失败，研究人员还有其他的几种方法可以进行尝试，而不是直接放弃。另一种应用于Rochester大学激光能量实验室Omega装置，称为极直接驱动(PDD)的方法，已经初现成效。PDD可以经由对NIF的光路进行修改而应用在NIF上，目前正使用Omega装置60路激光中的40束进行测试。磁力驱动内爆法(脉冲功率驱动)代表了另一种选项，目前由Sandia在翻新的Z装置上继续实验。
公众也有其他的声音，质疑聚变研究是否明智，以及这些投资是否可以应用于其他方面。Christopher Paine，NRDC的核计划主管，去年对Bloomberg Markets说道，“如果我们花费同样的60亿美金去研究储能器，我们已经可以大规模地部署太阳能技术了。”
身为记者，作者和长期的聚变怀疑论者，Charles Seife——著作《瓶中太阳：聚变的奇异历史与痴心妄想的科学》的作者——认为NIF最近做出的声明仅仅表明该项目“重新定义了其关于成功的定义。”Seife发现了激光驱动聚变失败的根本问题。“就算在产生能量方面取得了超过100分的成绩，激光聚变在某些人眼里仍然不值一提。”Seife说道。
在NIF，Hurricane承认，即使NIF目前的工作指明了一条通向点火的大道，然而距离实现获取切实可行的聚变能还有很长路要走。“为了具有实用性，聚变区必须在内爆的中心点火，然后增殖传播到周围的冷冻聚变燃料中，以在实质上获得更多的能量输出。”Hurricane说道，“即使点火和增殖已经启动，能量增益也必须够高，高到足以抵消激光能量的消耗。然后才需要解决工程学上的问题，使其足以保证这样的发次能不停地重复进行。”
“此时此刻，我们在科技和学术上努力，想看看它到底是如何工作的(工作原理)，而想使其真正具备实用性还需要花费很长的时间。”Hurricane说道，“许多人都在猜到底要多久，不过短时间内是不切实际的。”
尽管如此，激光聚变的研究团体还是广泛地被NIF目前取得的成果所鼓舞。
“就个人而言，我对是否能实现点火持乐观态度，”Petrasso说道，“我们在首次预算期内没能实现点火，我认为我们可能在正视它并问出‘什么才是真正的问题？’之前有点过度乐观了，我认为我们目前处在更好的位置，可更好地发现问题，并逐步向解决这些问题的目标靠近。” 原标题：回顾NIF激光聚变走过的路：是革新还是黄粱一梦 |
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