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2010年10月6日，美國國家核軍工管理局和勞倫斯利弗莫爾實驗室宣布其建造的國家點火裝置完成了其首次綜合點火實驗。在試驗中，192束激光系統向首個低溫靶室發射了1MJ激光能量。 美國國家點火裝置（NIF）（即激光聚變裝置）是與中國“神光”計劃類似的工程，由位于美國加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研制。 該計劃自1994年開工以來延期了很多次，它最終的目標是2010年實現聚變反應，并達到平衡點，即激光在聚變反應中產生的能量大于它們所消耗的能量。 該計劃建造和運行花費超過35億美元，容納NIF裝置的建筑物長215米，寬120米，相當于三個足球場。 美國國家點火計劃(NIC)是在2009年開始進行的。當時正值耗時35億美元的國家點火裝置建成投入使用后不久。國家點火裝置的建設工期超出預定達7年，預算也超支20億美元。這一裝備有192束激光的設備可以產生1.8兆焦耳的熱量，用于嘗試核聚變點火實驗，其先期研制的主要支持力量來自軍方的核武器項目。9月份時國家點火裝置獲得了迄今最高的激光能量和中子產量，數值分別為1.6兆焦耳和6×1014 。在此之前的最高激光能量紀錄是今年6月份創造的1.3兆焦耳。根據柯寧的說法，此次1.6兆焦耳的能量達到了點燃核聚變“燃料”所需熱量的1/3，而中子量大約還差一個數量級。 2011年11月18日，就在美國能源部負責科學研究的副部長史蒂夫柯寧宣布辭職的當天，他的備忘錄被公開，在備忘錄中他記錄了18日當天的最后一篇日志。他表示在從10月28日開始進行的35次實驗中，任務進行的還是比較順利的，激光器的表現也非常良好。而點火目標也表現不錯，性能穩定。不過他也指出實驗過程中仍然存在一些問題，其中一部分是可以解決的，但是也有一部分將會很難對付。 
國家點火裝置的科學家們發現他們對模擬實驗結果的預期和實際情況總是存在很大的誤差。對靶標表現的模擬顯示人們對能量在黑體輻射空腔內的分布狀況等方面的認識仍然存在不足。即便在進行針對性調整之后，最好的實驗結果仍然僅能獲得大約20%的理論預計產出。 科學家們現在正在不斷進行相關的調試工作，這對于在2012年9月份的最后期限之前實現研制目標至關重要。實驗室現在已經大大增加了實驗的頻率。并且將所謂實驗點火閾值因子(ITFX)數值提升了5倍。但是這一數值的最高值仍然僅有點火閾值的10%左右。盡管“基本上符合項目計劃”，但是這一ITFX數值的規定還是讓這一宣稱具有“絕佳實驗控制性能和激光測試參數”的實驗室感到失望。 實現可控核聚變點火的技術難度極大，即便是在占地超過三座足球場的國家點火裝置也是如此。工程師們必須確保激光束分四級，每級均以極其精確的時間間隔逐次增強其強度，并在書納秒的極短時間內發出，以便激發一個柱狀空腔內產生X射線場，進而實現均勻內爆，這將壓縮一個包含氘和氚的小球體，這兩種氫同位素是核聚變反應的燃料。如果時間上或者激光強度遞增梯度上出現哪怕最微小的失誤也會導致內爆不均勻，從而造成點火失敗。最近進行的實驗中工程師們發現最后一級激光脈沖總是會比預期的時間慢一些。 在最新的實驗中工作人員們再黃金中摻入貧鈾材料制成靶標空腔，用以替換先前使用的全黃金質地空腔。之前在羅切斯特大學進行的實驗顯示采用這種混合材料將對改善實驗結果產生積極的影響。 柯寧表示此次實驗的成敗將不會對核武器的表現產生直接影響。不過他也表示此次點火試驗中提供的數據將會使國家點火裝置目前本已處于很高水準的核武儲備管理水平得到進一步的加強。
實驗結果表明，距激光器達到實現點火所需的條件指日可待。NIF的負責人說：“此次點火實驗達到了前所未有的水平，這確保了激光器將在實現聚變的必要設計指標下運行。” 盡管尚未進行點火演示，演示時間也并未確定。但據加州NIF設施的官員稱，他們已完成了實現目標所需進程的75%。 “我們所收集的所有實驗數據資料表明，我們離實現點火的目標已經近在咫尺，且并未發現影響點火的關鍵性問題”他們說道，“我們可能在未來的幾個月或更長時間里獲得重大成就。無論如何，這相比原定項目計劃中的50年期限將大大縮短�！� 雖然科研團隊并未對激光聚變點火這一重要事件制定出準確時間，但激光聚變能負責人Mike Dunne今年早些時候曾說，點火可能在2012年年內實現。 Dunne在今年1月舉辦的SPIE美國西部光電展（Photonics West）發言時說 ：“我們現在有信心宣布，聚變點火將在未來的6-18個月內實現�！� 下一步：α粒子加熱 NIF團隊的下一主要步驟是“α粒子加熱”工作。即對激光內爆基礎上產生的氦原子核（α粒子）進行加熱，提高聚變燃料的溫度并維持等離子體高溫，使聚變反應持續。 “我們已成功從核聚變反應產生α粒子，并使燃料達到足夠密度以儲存所需能量”NIF研究人員說，“我們將在今年夏天的實驗中尋找實現α粒子加熱最可行的內爆方式。”
此次1.8 MJ/500 TW的能量發射是一系列192束激光實驗中最近的一次，這也表明了該激光系統的可重復性�！癗IF會定期在比原先性能更高的水平下運行”實驗室介紹道。 在一系列實驗中，7月5日的實驗總能量第三次超過1.8MJ。此前，科學家取得的最高激光發射能量是在7月3日的實驗中，在423W的峰值功率下有超過1.89MJ的能量傳遞到靶丸。 今年三月的發射就已為7月5日的實驗奠定了基礎——激光系統傳送能量首次達到1.8MJ，伴隨411 TW的峰值功率。 “自20多年前被構想以來，NIF裝置正逐漸向科學家們所規劃的激光聚變裝置靠攏”NIF主任Edward Moses在實驗室聲明中說，“它現在正全面投入運作，科學家們也正朝著實現點火的目標以及為國家安全及基礎科學研究的用戶群體提供實驗渠道，最終實現長期追尋的清潔核聚變能源而努力�！� 建造NIF設施最主要的原因是實現以受控方式來模擬核爆炸產生的條件——從而取代地下核武器試驗。此外，在激光系統所創建的極端環境下，科學家還可模擬恒星和巨大行星內核的環境，進行科學試驗，為科學界提供大量此前無法獲取的數據。 “500TW的能量發射是NIF團隊所取得的非凡成就，創造了迄今只存在于恒星內部深處的前所未有的實驗條件”，麻省理工學院高能密度物理部負責人Richard Petrasso在NIF的陳述中說，“對于世界各地的科學家以及像我們這樣積極尋求極端條件下基礎科學和實驗室聚變點火目標的人來說，這無疑是一個振奮人心的非凡成就�！� 除核能管理和科學研究中的應用外，更長遠的目標是開發可作為未來聚變發電站的此類聚變系統。雖然這一目標現在看來還遙不可及，必須克服一系列挑戰——用激光在10 Hz的左右的頻率射擊靶丸；采用可經受反復激光聚爆和伴隨著核聚變中子轟擊的光學和其他組件；并能夠以較為合理的成本實現上述條件。
遭遇“滑鐵盧” 點火實驗未達預期效果 在投入超過50億興建面積相當于露天足球場的巨型激光器后，美國能源部的核聚變點火實驗并沒有取得預期的效果。美國能源部寄希望于通過核聚變點火試驗獲得足夠的能量或者模擬核爆炸的反應過程。 最近一次的點火試驗是在2012年的9月30日，但是該激光器日益增加的工藝挑戰已遠遠超出原本的緊湊的時間表。 美國國會正考慮該工程是否將繼續下去，或者廢棄，或者減慢進度以減少財政開支。 利用激光引發核聚變反應來獲得能量可追溯至數十年以前，但是利用激光核聚變研究核武器在1990年全球禁止在地下進行核爆炸試驗后就顯得尤為重要。 最新的激光設備在1997年至2009年建成，稱為美國國家點火工程。通過192束激光束照射裝滿氫原子的目標。由此產生的高壓和高溫是的原子與氦融合，產生熱核能量爆發。但是今年的技術評審發現，科學家并沒有完全清楚反應過程，以至于不能盡快的實現點火。 勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家們，通過1000多次的實驗改進工藝，包括點火世界最大的激光器，開發卓越的檢測儀器測試高溫高壓下的反應過程。雖然審計小組通過先進的技術，但是該項目仍將延后于預期。
來源：激光網 |
