2014年2月12日
向太阳挑战
——核聚变激光点火

旧金山向东将近70千米的地方，有一片建筑群，这里就是世界著名的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（ 图1 ）。1952年创建以来，它曾一度进行炸药、军工火药等材料的制作研究，作为军用能源，也曾研究过激光装置。“冷战”结束后，在“军转民”的大潮中，一个大胆的议题被提上了日程，在这里开始兴建激光核聚变的“国家点火装置”。由于这一重大工程的上马，从20世纪末开始，这里逐渐兴旺了起来。

“国家点火装置”是一个向太阳挑战的巨大工程，其目标是要实现在3×10 ^-9 秒时间内，产生500太瓦（太瓦，英文简称TW，即10 ¹² 瓦，也即1万亿瓦特）的功率输出，几乎相当于全世界总发电量的200倍，只有达到这一强大功率，才能实现激光核聚变点火反应。

自从1997年“国家点火装置”正式上马后，经过了十多年的奋斗，终于在2009年2月10日，首次实现了第二级96门激光器的同时发射，共射出1.1×10 ⁶ 焦的紫外线激光能量，它击中了预设的目标，这是世界历史上第一次实现百万焦等级的点火记录，如 图2 所示。然而这一成功只是“牛刀小试”，虽然与最终的总目标相比，这只是一个开始，但其意义重大，它为下一步更大目标的实现奠定了基础。

核聚变能量是模仿太阳获得最清洁、最环保、最节省的能量，然而获得这个能量却不是轻易之举的。激光点火装置的产生，是人类对高温、高压、高强度、超短瞬间和高能量极限的挑战，是一场有史以来人类最宏伟的壮举。仅以激光增强的过程为例，就可以看出人类“挑战太阳”壮举之艰巨。

点火的激光是经过几级分步增强的，最初一束激光的能量只有十亿分之一焦，首先要把这一束激光的能量增强10 000倍，然后把这束激光劈开，分成48束，利用实验室两端的反射镜令这48束激光来回反射4次，每束激光在一次的反射过程中，要经过3000块磷酸盐玻璃，利用其中的钛原子把激光束放大增强，再将每束分成4束，形成192束以后，再对每束分别增强，直至最后并合起来，使能量增加到原来的3000万亿倍。 图3 所示是实验室的激光增强通道。2012年7月5日这一天，“国家点火装置”单束激光能量打破美国国家纪录，终于实现了192束增强激光的并和，产生了500太瓦的超高峰功率，获得了人类历史上最强的激光脉冲。但是到达这一步也只是开始。

达到高能量的192束激光，最后要聚集在一个直径为3毫米的“小氘丸”上，实现这一步就更为艰难了。这是一个高科技的综合工程，它涉及高压电气工程、光纤工程、激光工程、机械制造、自动化工程、遥测与遥感、计算机工程和监控系统工程等。这项工程更是一个向超高精度的挑战，在长达1千米的光程中，要使192束超强激光在十亿分之一秒内，朝向一颗像胡椒粒大小的燃料氘丸聚焦，各束激光相遇的时间误差不得超过30皮秒（1皮秒是一万亿分之一秒）。这个神奇性效果就像从旧金山投出192个篮球，要在一万亿分之一秒内全部投入洛杉矶的球筐里那样，其艰难可见一斑！

192束激光并和后，瞬间产生1亿摄氏度的高温和1000亿倍大气的高压，进而引起核聚变。每束激光发光持续时间是十亿分之三秒，在这一超短的时间内，点火所释放的脉冲紫外光能量达到180万焦，所聚集的能量是美国所有电站发电总能的500倍多。 图4 所示为激光点火装置的低温靶定位系统，低温靶丸被两个金黄色三角形双臂罩包围着，直到点火前5秒才被打开。

整套激光点火装置不仅需要在超高温、超高压状态下运行，还要求保持零震动和零温度的起伏涨落，所有机械都要求超高精度和完美工艺，即使是10吨级重的大型器械，也要求小于100微米的误差。 图5 显示的是工程人员正在为点火装置调整靶位定位器。 图6 显示的是10米直径的目标球室，192束激光将由球状目标室的入射口射入，最后聚焦在目标球室的靶心上。

这一工程的成功，可以使人类进行一些过去无法实施的实验，如模仿核爆炸过程或模拟宇宙中所发生的一些暴烈高能过程，以发掘其中的奥秘；利用点火装置，还可以模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星的内核环境，从而为科学界获取一般得不到的数据。2009年5月29日装置建设完工，建造和运行总花费35亿美元，整个装置安置在占地相当于3个橄榄球场的10层楼内。

2014年2月12日 是这项工程的重要一天，历时17年，“国家点火装置”终于获得了最关键性的成果，成功实现激光聚变点火，还在能量增益上有了更重要的突破，也就是说，所输出的能量超过了最初供给的能量，这是使核聚变成为人类新能源的最关键一步。人类向太阳挑战的成功在世界上造成了轰动。这则振奋人心的消息立刻被刊载到了《自然》杂志、《洛杉矶时报》、《科学美国人》和《华盛顿邮报》上。它成为继托卡马克之后，人类在核聚变探索中的又一新成果。它将使人类的能源结构发生重大变革，最终使人类学会如何取得类似太阳的能量，因此这一成果成为人类科学发展史上的重要里程碑。

关键词： 劳伦斯·利弗莫尔国家点火装置，激光核聚变点火，Lawrence Livermore National Ignition Facility (NIF)，laser fusion ignition

图1： https://necdc.llnl.gov/

图2： http://www.publico.pt/ciencia/noticia/centro-de-fusao-nuclear-inaugurado-na-california-quer-obter-energia-ilimitada-ate-2040-1383950

图3： （暂缺）

图4： http://nextbigfuture.com/2010/10/national-ignition-facility-starts.html

图5： https://www.sciencenews.org/article/ignition-failed

图6： http://atom-ecology.russgeorge.net/2015/02/01/sonofusion-returns-mainstream-science/ 3zDvGjDxTiLXkT8y64gexZmKgN+Nj3xxqBAVCcNflerf9bpe9akZD76Km5l3M06Y