《自然》独家：美国国家点火装置的核聚变实验为何重复失败？
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在对 2021 年的破纪录实验重复失败后，美国的科学家开始重新权衡摆在他们面前的选项。
本文转载自公众号“Nature Portfolio”
原文作者：Jeff Tollefson
近一年前，世界上最大的激光聚变设施宣布了一项重大突破：该装置破纪录地产生了与驱动恒星与热核武器相同类型的高能聚变反应——虽然时长只有一秒不到。可是，重复该实验的尝试失败了。《自然》了解到，今年早些时候，美国加州这个装置的研究人员改变了原先的计划，开始重新思考他们的实验设计。
在美国国家点火装置的靶标室内部，科学家用192束激光轰击含有氘氚的黄金靶丸，试图实现核聚变。来源：Lawrence Livermore National Laboratory/Science Photo Library
这一转折重启了关于美国国家点火装置（NIF）未来命运的讨论。这个造价 35 亿美元的装置位于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局（NNSA）负责运行。国家点火装置的主要任务是实现能产生高能量的聚变反应，并为美国武器储备的维护提供指导。
国家点火装置的建造成本远远超出了预算，但产生的能量却比当初承诺的要低。从某些方面看，2021 年 8 月 8 日那次破纪录的激光实验证明了该装置终于完成了它的主要使命，但之后多次重复实验所获得的能量最多只能达到那一次的 50%。研究人员在打算进行重复时就做好了遭遇挫折的准备，因为这个庞然大物目前正在聚变“点火”的临界点运行——此时，不同实验间微小、偶然的差异都会对结果造成巨大影响。尽管如此，对很多人来说，对去年8月实验的重复失败显示出研究人员目前仍无法精准理解、操纵和预测这类高能实验。
来源：劳伦斯·利弗莫尔国家实验室
Omar Hurricane 是利弗莫尔国家实验室惯性约束聚变项目的首席科学家，他提倡按照现有实验设计继续研究当前的能量方案，而不是退后一步重新调整。“我们既然做到了，就证明我们有能力做到，”他说，“现在的问题是如何才能重复和可靠地做下去。”但他也表示，项目高层已经决定停止重复实验，把接下来的重点放在如何让国家点火装置超越这个聚变阈值，过渡到一个全新的、更可预测的方案，产生比去年 8 月高很多的能量。
领域内一直有人在质疑国家点火装置的实用性，他们认为，这次事件既显示出该装置能取得的了不起的成果，也凸显了它的固有局限。美国海军研究实验室激光聚变项目的前负责人 Stephen Bodner 说：“我想他们应该见好就收。”Bodner 认为，国家点火装置在技术上是走不通的，是时候制备能实现聚变能的下一代激光了。
逐梦点火
国家点火装置于 2009 年投用，当时的目标是实现聚变点火。美国国家科学院（NAS）对聚变点火的定义是：实验产生的能量大于消耗的能量。在错过了 2012 年实现点火的原始期限后，利弗莫尔实验室的研究人员开始了对系统长达 10 年的微调（见“点火之路”）。在对该装置的激光和点火靶标等各方面进行了一系列的调整后，他们终于在去年 8 月迎来了重要突破。这里的点火靶标是一个含有氢同位素氘氚冷冻小球的黄金靶丸。
在不到 40 亿分之一秒内，192 个激光束将 1.9 兆焦耳的能量聚焦到靶丸上。随着靶丸内爆，靶球中心的氢同位素开始聚变成氦，释放出巨大能量，由此产生的一连串反应总共释放了超过 1.3 兆焦耳的能量——这个能量是之前纪录的 8 倍左右，是最初实验结果的 1000 倍。
虽然这还不能满足美国国家科学院对点火的定义，但这次实验实现了释放巨大能量的聚变反应，而这完全符合国家点火装置对点火的标准。Hurrican 称其为“莱特兄弟时刻”，就连 Bodner 等一些对该装置最苛刻的批评家也交口称赞。
去年 9 月，这个惯性约束聚变项目的高层提出了三个实验计划，用来确定去年 8 月的结果能否重复。这些实验从去年 10 月开始，只产生了 400-700 千焦耳的能量。虽然这些结果依然代表了国家点火装置在运行上的一次转变，但和去年8月取得的突破相去甚远——也没有超过该装置科学家口中的点火阈值。
Hurricane 说，团队在对这些实验进行分析后发现，靶丸制备的不一致以及激光折旧导致的性能变化，都会对内爆的形式产生微小但很关键的影响。“我们知道为何重复性实验会出现这种结果，”他说，“但我们还要确定哪些工程学问题需要得到更好地控制。”
对于这些结果，Hurricane 呼吁开展更多的重复性实验来充分理解各次实验间的差异。而项目高层希望能开展新的工作，Hurricane 说团队目前正在寻找将激光能量提高 10% 以上的方法，同时设法制备出能更有效利用能量的靶标。
Mark Herrmann 是利弗莫尔实验室的基本武器物理学副主任。他说，该团队得到了参与该项目的 100 多名科学家的大量意见。但他指出，长期目标是产生比去年 8 月高两个数量级的能量。他解释道：“不管结果如何，只要我们做的是好的、谨慎的、系统性的科学研究——在我看来，这才是最重要的事。”
批评报告
纽约罗切斯特大学激光聚变中心主任、负责对国家点火装置的实验进行独立评估的 Riccardo Betti 说，某种程度上讲，该团队未能重复去年 8 月的实验其实是意料之中的，因为这个激光现在处于“点火边缘”。他说：“如果你在边缘的这一边，你能产生很大的聚变能量，但如果你在另一边，你能获得的能量就很少。”该团队尚无法达到足够的实验精度，不能预测某次实验到底会落在哪一边。
JASON 是一个向美国政府提供建议的独立科学专家组，去年曾就这个美国核武器项目向国家核安全局提交了一次保密评估，而基础科学问题和预测能力也是这份评估关注的核心问题。《自然》依据美国《信息自由法》获得了一份该报告的执行摘要，在这份不保密的摘要中，专家组肯定了国家点火装置的能力，但指出它在未来几年不太可能实现“可预测、可重复的点火”。
该报告从完成到提交给国家核安全局的时间比去年 8 月的实验早了 4 个月，Hurricane 等人称该报告不合时宜，而且太过悲观。
JASON 的专家组成员在报告中呼吁对该项目开展一次根本性的重新评估，而这方面的讨论早已在整个激光聚变领域开启。国家点火装置和其他机构的科学家正在想办法重新配置当前的激光，而其他人则在大胆尝试能以更可行的方式实现聚变能的全新设计。
Hurricane 本人并不心急。他坚持认为该装置目前正在非常关键的聚变条件下运行，这将有利于我们理解和预测核武器的可靠性。
“一旦我们获得更高的能量和更好的预测性，我们就跳过了物理学最有意思的阶段，”Hurricane 说，“如果成为更好的科学家和管理核储备是你的目标，那这才是你应该去做的研究。”
原文以Exclusive: Laser-fusion facility heads back to the drawing board为标题发表在2022年7月22日《自然》的新闻版块上
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