【本刊2022年3月綜合報(bào)道】2022年1月26日，《自然》雜志報(bào)道了美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）研究團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。該團(tuán)隊(duì)通過國(guó)家點(diǎn)火裝置成功獲得“燃燒等離子體”，并產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的1.35兆焦能量，相比2020年的最高能量提高了24倍，接近了“點(diǎn)火”所需的1.9 兆焦能量，向成功“點(diǎn)火”邁進(jìn)了一大步。

國(guó)家點(diǎn)火裝置是美國(guó)核武器庫(kù)存管理計(jì)劃的重要組成部分，其主要作用是利用慣性約束聚變創(chuàng)造出極高溫與高壓條件，實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模模擬核爆炸所產(chǎn)生的熱核反應(yīng)環(huán)境，為核武器計(jì)算機(jī)模擬提供相關(guān)技術(shù)支持。

背景情況

國(guó)家點(diǎn)火裝置是當(dāng)今世界上最大和最復(fù)雜的慣性約束聚變研究裝置。1972年，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的約翰·納科爾斯首先提議建造一座基于慣性約束聚變技術(shù)的裝置，由高功率激光將微克量級(jí)的冰凍氘和氚（氫的同位素）加熱，以驅(qū)動(dòng)聚變反應(yīng)。1997年，能源部基于該提議啟動(dòng)了國(guó)家點(diǎn)火裝置建設(shè)，歷時(shí)12年，總耗資35億美元，于2009年建成。

國(guó)家點(diǎn)火裝置長(zhǎng)200 米，寬85 米，主要由兩部分組成：192 路高能量激光系統(tǒng)和直徑10 米、重約450噸的靶室。所謂的“點(diǎn)火”，原理是利用192 路紫外高能激光加熱靶室黑腔內(nèi)壁，產(chǎn)生X射線，所有射線聚焦于靶室中央的冷凍靶丸，快速壓縮并加熱其內(nèi)部的氘氚，達(dá)到超高密度和溫度，從而“點(diǎn)燃”靶丸，實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，釋放聚變能量。

2010 年，國(guó)家點(diǎn)火裝置進(jìn)行建成后的首次綜合點(diǎn)火驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，成功檢驗(yàn)了裝置的靶物理設(shè)計(jì)、激光器、靶件制造、靶件診斷、控制以及數(shù)據(jù)系統(tǒng)。此后能源部一直通過實(shí)驗(yàn)不斷完善靶丸與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2014 年，《自然》雜志刊文稱，國(guó)家點(diǎn)火裝置首次實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)能量增益（即聚變反應(yīng)釋放的能量超過了靶丸吸收的能量），取得重大突破。此后，為實(shí)現(xiàn)成功“點(diǎn)火”目標(biāo)，國(guó)家點(diǎn)火裝置研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)開展實(shí)驗(yàn)，有力地推動(dòng)了慣性約束聚變技術(shù)的快速發(fā)展。

解讀

國(guó)家點(diǎn)火裝置自2009 年建成后，圍繞聚變“點(diǎn)火”開展了大量實(shí)驗(yàn)，取得了重要成就。2014年首次實(shí)現(xiàn)了能量增益，2022 年能量提高到了1.35 兆焦，已經(jīng)接近于“點(diǎn)火”成功所需的1.9 兆焦，在慣性約束聚變技術(shù)方面邁進(jìn)了一大步。

美國(guó)建設(shè)國(guó)家點(diǎn)火裝置的目的是為國(guó)家核武器計(jì)劃提供支持。2005 年，時(shí)任能源部部長(zhǎng)博德曼表示，國(guó)家點(diǎn)火裝置能夠模擬核爆炸的溫度和壓力，為評(píng)價(jià)核武器性能提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

利用國(guó)家點(diǎn)火裝置開展聚變研究，通過測(cè)量與溫度、密度和壓力相關(guān)的聚變參量，并將其作為計(jì)算機(jī)模擬核爆的標(biāo)定參數(shù)，有助于更加精確地模擬核武器次級(jí)和助爆裂變的某些過程，補(bǔ)充與核武器物理知識(shí)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，改進(jìn)計(jì)算機(jī)模型。

幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

美國(guó)推動(dòng)國(guó)家點(diǎn)火裝置的“點(diǎn)火”實(shí)驗(yàn)，主要目的是保證核武庫(kù)的長(zhǎng)期安全。在禁止核試驗(yàn)的情況下，從短期來看，目前的核武器庫(kù)存管理工作能夠保證核武器的安全和性能，但是隨著核武器钚彈芯不斷老化，以及未來對(duì)研制新型核武器的需求，需要研發(fā)和建造新的評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)設(shè)施。此外，美國(guó)通過建造和運(yùn)行國(guó)家點(diǎn)火裝置，助推了聚變與核武器技術(shù)相關(guān)的多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，為美國(guó)培養(yǎng)出高水平的科研人才梯隊(duì)，使其繼續(xù)保持核武器技術(shù)方面的科研與人才高地的地位。