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国家点火装置

美国建造的用于激光聚变点火研究的巨型激光装置

国家点火装置（英语：National Ignition Facility，缩写作 NIF），又称国家点燃实验设施[1]，是美国的一座基于激光的惯性约束核聚变（ICF）装置。这个设施由劳伦斯利福摩尔国家实验室建造，位于加州的利佛摩市37°41′25.7″N 121°42′03.8″W / 37.690472°N 121.701056°W / 37.690472; -121.701056。NIF意图使用激光（Laser）达成极大高温高压施加于一小粒氢燃料球上启动核聚变反应。NIF也是人类史上最大的ICF设施和世界上最大的激光装置[2]，其目标是实现点火，以令其聚变燃料进入点燃状态。截至2013年10月7日，NIF首次实现了通过聚变反应输出比其靶丸从激光吸收的能量要高的能量[3]。

国家点火设施
研究机构
国家美国 编辑
所在行政领土实体加利福尼亚州 编辑
地理坐标37°41′27″N 121°42′2″W 编辑
地图
NIF的首次综合点火实验的目标组件安装在超低温靶定位系统，或cryoTARPOS。两个三角形的双臂形成罩包围一个冷靶来保护它直到它们点火前5秒钟。

设施于1997年开始建造，但是建设上遇到了诸多问题，所以直到2000年初进度一直缓慢。但诸多政治特权使它的建造持续了下去，但也引来核武相关实验参杂其中的批评，NIF本计划五年内完成，但是却延期四次并严重超支。在2007年8月，96束激光（原定192束）建造完工，还有48束（新计划为144束）接近完成。2009年2月，建造大致完成[4]。预计2010全面启动进行实验（输出能量必须大于输入）[5]。计划总计花费40亿美元。设施于2009年6月进行第一次大型激光靶实验[6]，并于2010年10月宣布完成第一个“综合点火实验”用于测试激光的功率[7]。

整套NIF要运作必须启动60,000具各种高科技装置包含电路、高压电、光学、机械构造、自动透镜、能量感应器、监视器、激光、和一套电脑诊断安全系统。完成这项创举除了大量借助电脑化自动控制还依赖大量有经验的政府与厂商人员得以达成。长达一公里的厂房设备最终要让192门激光在1纳秒同时发射击中铅笔头大小的燃料球。误差不能超过30皮秒。要达到这准确度NIF的激光装置至关重要，整套设备必须零震动和零热涨冷缩。所有机械都追求完美，许多10吨重的设备必须安放在100微米的误差范围内。

它被用来作为2013年电影《星际迷航：暗黑无界》进取号星舰中的曲速引擎核心的场景[8]。

从2009年到2012年的实验是在国家点火运动下进行的，目标是在2012年下半年的某个时间，在激光器达到全功率后立即点火。该运动于2012年9月正式结束，达到了大约在1⁄10点火所需的条件[9][10]。 此后，NIF主要用于材料科学和武器研究。 2021年，在改进燃料靶设计后，NIF 产生了70%的激光能量，打破了欧洲联合环状反应堆(JET 反应堆) 1997年创下的67%的记录，实现了燃烧等离子体。 2022年12月5日，经过进一步的技术改进，NIF 首次实现“点火”，即科学盈亏平衡，实现了154%[来源请求]的能量产出率。

特征

背景

惯性约束核聚变（ICF）装置是使用外部的热能来源注入其中，以达到封闭区内的高温高压。封闭区中央的目标是一个包含若干核燃料的小球，可使用氢或氚等。高能激光会使小球表面等离子体化，表面也会炸开。其余中心材料受到牛顿第三定律驱使，最终会向中央坍缩，这也被称为内爆。而爆炸波会使小球均匀的向中央塌缩，使得球中的核燃料在高温高压下达到极高的密度。理论上来说，核燃料密度足够高就会发生聚变。[11]

核聚变会放出大量产物，其中一些（主要是α粒子）碰撞到外层高浓度燃料材料就会减速下来。侦测到期间产生的碰撞热能后就可以断定发生聚变反应。在内爆时，只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生链式反应。这现象就称为“点火”，这是引发核聚变的重点过程，并且会放出大量能源。[12]

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    日本制造豪雅激光玻璃板也是史上最大的定做品。
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    检视口容许看入内部的直径为30英尺的靶室。
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    靶室上部1/3的外部视图。大型方块物就是激光组件。
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    一名技术员把仪器罐装入真空密封的诊断仪器。
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    主放大器使用泵闪光灯是有史以来最大的商业生产闪光灯。

计算显示必须要在燃料球被震暴波爆开前的数微秒之间注入足够能量才能成功引发聚变。而且加诸小球上的能量必须要极度高能却又均匀才能使球体向中央均匀坍缩至高密度。虽然考虑过其他施加能量的方法，例如重粒子加速器，但目前还是只有激光科技能达成此种要求。[13][14]

驱动激光

NIF目标是造成500太瓦（TW）能量的激光在1微微秒[来源请求]的同一瞬间击中球体。设计中是采用192束总成激光光束，每四具激光产生器一组共48组 每组经过16道强化过滤器。[11]

为了保证激光产生器同步，所有激光的最初光源都是来自单一产生器（ILS）再分割强化。因此最初的激光来自于一台1053nm的掺镱光纤主控振荡器[15]，分束后进入48具预放大模块（PAMs）。预放大模块包括两级放大。第一级的再生放大器将激光能量从纳焦耳级别提升到数十毫焦耳。第二级放大器会让光束循环经过四次钕玻璃，最终放大至6焦耳能量。原本的设计中预放大模块会是建设过程中的几个主要挑战之一。改良设计后可以达到更大功率所以也就缩小了体积。[16]

主放大器与预放大模块中第二级放大器原理一样但是更大且位于激光末端。发射后第一层放大器会点燃7,680具高能量氙灯（每层小放大器还有自己的氙灯）。所有氙灯由电容器组存储的422百万焦耳（MJ，117 kWh）能量供电。当光波经过，放大器会把储存的能量加入其中，这并非是很有效率的机器，为了解决这问题光束需要使用光学开关进入反射腔重复通过四次。一系列放大最后会把原本的6焦耳激光加强到4百万焦耳。[11]虽然只能维持几纳秒，但是功率可以达到极高，瞬间超过500TW。

当放大器把能量加入激光中后，激光会直接射往末端的靶球。整条激光光束贯穿建筑物长达1,000呎（305m）而不中断。其中大量的长度都是在空间滤波器中渡过，它是一种瞄准最终目标点的类似望远镜管状物，并能切断任何偏离的光束还能确保激光以极高精确度命中。空间滤波器技术来自一项LLNL的早期实验“独眼巨人”项目。最后多种不同的光学元件包装成线性可替换单元（LRUs），这种汽车大小的单一方盒可以在损坏或升级时整组模组化拆装而不必改动建筑物。[17]

 
NIF基础平面图。激光产生器在中间偏右。左上方则是光学玻璃组件，经由蓝色管线进到上方扩大器（紫色）几层强化后纯净的光束进入红色的汇总器达到银色球体内；整个NIF有三座足球场大。

在进入球型靶室之前激光会通过一系列反射镜分裂成许多道光束围绕着球型目标室从不同角度射入，让其中的靶球从不同方向被击中。从主震荡器到最后射入球体的整个全长过程中；科学家可以用诸多光学设备调整光的延迟使它们在同一皮秒同时击中。[18]像平面图所示，NIF的激光发生器是在上方和下方。靶室和反射场 系统可以移动48条光束中的一半到另一个更靠近目标室赤道的位置，做为另一种设置。

 
LLNL使用切成薄片的大型磷酸二氢钾（KDP）水晶体用于NIF的光频转换器，把1053nm红外线基本波转换至351nm紫外线波。

击中目标前的一个最终程序会将1053 nm红外线从转换成351 nm紫外线（UV），该程序使用光学倍频来达成[19]。

NIF和ICF

 
NIF用的燃料球填充有D-T气体或D-T结冰体。整粒胶囊使用细塑胶线固定在环空器之中.

本设施名为"National Ignition Facility"，明确表示"igniting"即采用点火方式启动核聚变是目的，也是第一种长期运转核聚变的研究之门。之前的非核武型核聚变实验只有使用等离子体包覆的托卡马克装置，外部能量的输入必须全程不中断以维持等离子体，如果等离子体层出现破洞将有极大灾难。点火式的好处就是一旦开启核聚变可以自行聚变燃料球后就可以中断外部能量供应。因为链式反应的能量可以自动聚变剩下的材料。因此点火式成为目前最有希望迈入实用化的唯一途径。[12]

NIF设计上首次采用间接驱动运作方法，激光全部能量集中在一个环状物中的小球。环状物称为环空器（德文中的"空洞"、或洞穴），可以重复激发X光频谱，比传统激光光束更均匀对称。该理论是根据80年代OMEGA laser和Nova laser的实验结论。[20]

 
专为NIF打造的镀金环空器。

这种转换过程已经很有效率；原始的4MJ激光光束能量输出中大约10到20%的X光会在目标外层损失1.8MJ能量会转换成UV，另外一半多的能量会在环空器转成x光损失掉。[21]

NIF一直在测试新型材料。先前的试验多半采用塑胶烧蚀材料，例如聚苯乙烯（CH）。NIF的靶球外层是塑胶物质再喷上一层铍或铍铜合金，之后铍便会氧化塑胶。[22][23]与塑胶相比；铍制标靶对X光是高浓度不透明体，也是高传热体。这都有利于间接击中型机构设计的X光能量型态。使得更多的能量总值施加于内部核聚变本身。

虽然NIF主要设计为间接驱动装置，但它产出的能量完全足够使用直接驱动法，只要能量激光持续照射于目标。因为UV波长的能量在NIF的设计中远超过点火所需。

发展史

动机

LLNL的ICF项目始于物理学家John Nuckolls的构想，他在1972年提出只要1kJ的激光能量就有可能达成核聚变，输出达到1MJ的能源。[24][25]虽然这理论中没有太复杂的机械构造，但是超高能量激光依然超出当时的最高工艺，当其他项目在研究气体激光（例如洛斯阿拉莫斯国家实验室的Antares laser项目）或KrF（例如美国海军研究实验室的胜利女神计划）LLNL却决定全力专攻玻璃激光为主并启动了诸多以此能量标准设定的激光研发项目。1980年代时LLNL的Shiva laser项目有了突破进展验证了短波能量传递。这结果使LLNL成为玻璃激光的先驱并引导未来的激光领域研发。

在Shiva项目后，LLNL发现至少要20条200kJ激光才能启动核聚变反应。在Nova项目初始建造阶段，Nuckolls博士发现他的计算有一个错误，在1979/10另一John Foster Jr.教授也发现此一错误造成能量并不能达成点火核融。所以后来Nova更改设计成10门较小的351nm激光，但是增加频率以加强能量密度.[26] Nova上线运作后透过多个非线性光学机传出的激光能传递20到30 kJ能量，只有原本预计的一半。

随着整个实验成果一一浮现，发现达到点火所需的实际能量一次比一次计算要高；当时理论上的200kJ能量也显得有点站不住脚。美国能源部（DOE）决定直接展开全面实验是最好的平息纷争方式，在1978到1988年间一系列秘密实验在内华达核爆场展开以验证ICF组件的X光数据; LLNL将此机密计划取名"岩盐"，LANL则取名"百夫长"。[27]第一批数据于1984年中出炉，直到1988年完成最后测试。虽然本系列机密计划只有很少部分公诸于世，但是还是可以推估本计划最终发现需要20MJ能量才能达成激光核融，而且只有1/5不会被变成X光，因此初始能量至少要100MJ的激光发射器才够.[28]

LMF和Nova升级

Nova计划部分成功，结合了Halite-Centurion计划数项成果，激励了DOE去设计一种军用ICF的概念项目称为"实验型微核融设备"（LMF）可以产生100到1000（MJ）百万焦耳间的能量。基于LASNEX电脑模拟，估计LMF需要输入10百万焦耳能源，[26]加上Halite-Centurion测试中的瓶颈。间接暗示了建造这种设施是可行但是很难的，且必须花费十亿美元以上。[29]依据此模拟LLNL交出一项设计是输入5 MJ 350nm（UV）能量后产生200 MJ能量的设计案，足以达成多数LMF的要求。预算大约6亿美元（1989年物价），而且日后可以再加2.5亿美元升级成1000 MJ的加强型，而如果愿意投入十亿美元的话LMF中所有DOE要求的目标都能达成。[29]当然此时也有其他实验室提出各种其他技术的LMF设计案。

面对如此大型项目，在1989/90年间美国国家科学院拟定了一项ICF成果检验报告承交国会。报告中表示“基于评估了射与物理效能上的需求，本计划需要10亿美元成本，本委员会相信LMF是过于庞大的一步性计划。”他们建议短期目标应该分成几个小阶段点火试验为主，直到结论确定前LMF都不应该建立全尺寸实验设施。[30]本报告也评论了气体激光被LANL放弃的计划，并建议其他实验室的相似项目也放弃气体激光。并认可了LASNEX数量与总能量应该接近10MJ。虽然如此但是有委员还是顾及到更高能量需求，因此注解“基于需求和达成点火，可以在合理范围内经过全体委员同意将ICF能量提升到100-MJ之内的任何值。”[30]

NIF问世

 
国家点火设备的前置放大器是增加激光束朝向目标室的能量的第一步。在2012年，NIF实现了一次500太瓦特（terawatt）的射击，比美国在任何时候使用的功率高出1000倍。

冷战结束后美国国防政策和预算都大量减少。限武条约大量节制了核武数量和种类，美国出现了一整代的核武工程师人力断层无法来维护现有核武或是设计新核武。[31]在此同时全面禁止核试验条约，禁止了所有核试。也造成设计新核武的高难度。

这些问题催生了“核武储存与维护项目”，其中也包含了一笔预算在不试爆的前提下设计或改装新核武。一系列计划会议在1995年展开，以定订各实验室所分配的计划和预算。其中包含一个重要部分是确认ICF核聚变电脑模拟的实验。原有的Nova升级计划案对于此计划来说规模太小，[32]所以NIF于1994年重新设计一个成本超过10亿美元的项目，[33]并于2002年完成。物理学家Richard Garwin如此评论计划结果，"山迪亚国家实验室建造了微电机动力研发中心MESA以得到最适当的CTBT。洛斯阿拉莫斯国家实验室建造了双轴光学动力测试设施。劳伦斯利福摩尔国家实验室却建了国家点火装置—就像一头白色大象从房子外直接把我们连房子一块吃了。他们都说这是核武储存与维护项目，其实并不仅于此。"[34]

早期问题

当NIF开始采用单一光束原则建造验证机时，1994到97年间进展顺利。

Sandia，有关于脉冲能量传递的丰富经验，并于1998年成功设计了用于高能量氙灯的电容器库。但是意外还是发生了，脉冲能量调节模组（PCMs）使电容器爆炸。这件事导致PCMs重新设计以容纳更多误差，但是此同时建筑物却还是依照原始设计持续建造，导致变大的新模组很勉强塞进屋中而没有任何空间可以进行现场维修之用。

最近的进展

 
激光间(Laser Bay)2号于2007年7月投产

2009年1月26日，最终替换单元（LRU）安装完毕，这是NIF最后的重要组件。2009年也完成激光定位，激光同步，顺畅营运分析等科目操作。期待已久的试验预计在2009年就会展开2010正式点火。[35]

2009年2月10日，全部96门激光第一次发射出1.1 MJ（百万焦耳）紫外线能量将近3ω，也击中目标室。主激光理论上可达1.952 MJ总功率。这也是历史上第一次创纪录有激光达到百万焦耳等级。

2013年11月19日的实验中，NIF的192束激光将1.9 MJ热量送入环空器，在环空器内部产生近1亿摄氏度高温(比过去高50%以上)和1千万个大气压强。聚变燃料释放能量17.3 kJ，大约为以前纪录的10倍。[36]

2021年8月8日的实验，192束激光将内部燃料加热至1亿摄氏度的高温。聚变持续了约10飞秒，共产生出1.3MJ的能量，比2018年的纪录高出24倍。[37]

2023年8月6日新闻发布该点火实验室，已重复实现去年以核聚变发电，达成产出能量净增益的里程碑成就。

进展历史

 
工程人员工作在国家点火装置（NIF）的靶室内部的靶定位器。

激光单元LRU于2005年开始安装，工程速度也开始加快。早在2003年5月，NIF就完成了第一组4条光束的激光器，并产生10.4kJ红外线能量的试射。[38]之后2005年内又完成8组激光器共153 kJ红外线能量输出，当时就已经是地球上最高能量的激光。2007年1月所有主震荡器内的LRU安装完毕，控制电脑也安装成功。到了8月，96条主激光光束全部上线理论总能量达2.5 MJ，比世界最大的Nova激光器还强40倍。"[39]实验室表示2009年3月所有主结构体会完工，2010年将进行第一次1.8MJ实验性红外线激光点火。[38]

2009后整体计划评估很乐观，预算也控制在预估之内。然而还是有人对第一次点火的成功率担心，在最近由一份独立第三方评估团体JASON Defense Advisory Group的报告指出，虽然计划转趋乐观然而"即使大量克服了科学和技术的挑战让2010年前点火实验变成可行，但是成功率依然不可预期。"[40]但是工程小组暗示如果跳过低功率测试，也许有可能在期限前达到全功率运转。

NIF计划的诸多延迟使得法国的Laser Mégajoule（英语：Laser Mégajoule）计划得以赶上，该计划几乎是NIF翻版。Mégajoule虽然开始比NIF晚但是建造期间计划短，原本估计2008完成。可碰上诸多问题现在力拼2010完成.[41]

 
燃料输出的能量（红球：lgnition）大于燃料吸收的能量（Capsule compression），即为：燃料增益；大于进入系统的能量（Laser energy into the Hohlraum）,则为：总增益。

2014年2月，NIF用192支激光加热和压缩燃料芯块，第一次实现了“燃料增益”，即燃料输出的能量大于燃料吸收的能量。这是世界第一台能实现“燃料增益”的核聚变装置，这项发现标志着核聚变能源将步入新时代，研究的下一个目标将会是实现“总增益”，即系统产生的能量必须超过进入系统的能量。[42]

批评

外界批评集中在项目计划层面，原本NIF定位角色集中在‘储存与管理项目’（SSP）。本计划是为了重整长期核武储备与再利用，对外宣称多样化的团队都为了"科学福祉"而努力；但是实际上只有一小部分预算是科研，大部分预算是为了让核子工业存活。美国科学联盟认为“许多主张是政治考量；在实验室所称的延期试验期间持续消耗大量又昂贵的开销。”[43] NIF其实是SSP最弱的环节，因为有一些人怀疑它所实验的成果到底有多少实用性，还是只是一个不知所谓的大玩具。

2007一份国家科学顾问委员会报告指出“NIF是‘储存与管理项目’（SSP）的关键部分因为它所创造的极端高温高压环境在地球上只有核爆能比拟，因此可以对未来核武研究有帮助。”

类似的项目

其他聚变反应堆设计也可以在将来潜在的能量来源。一些类似的实验项目有：

参见

理论

厂商

其他核聚变装置

参考文献

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外部链接

 
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37°41′27″N 121°42′02″W / 37.690859°N 121.700556°W / 37.690859; -121.700556

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