FUTURE | 远见 闵青云 选编
8月8号，美国国家点火装置（NIF）刷新了它自己之前创下的纪录：产生了超过一万万亿（10的16次方）瓦的聚变能，大约是整个美国电网在任一时刻发电量的700倍。这一突破性的新闻让人们对一直深陷困境的NIF重新燃起了希望，它有望实现聚变产生的能量高于其消耗的能量，从而加深关于热核反应的理解。
美国国家点火装置(NIF)靶室有三个美式足球场那么大。图片来源：Lawrence Livermore National Laboratory
建在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的NIF装置耗资35亿美元，其根本意图是用来探测热核武器内部的聚变反应，而不是用来发电的。自从1992年冷战结束以来，美国禁止了地下核试验，为了在不引爆核武器的情况下验证其可靠性，NIF作为核武库科学化管理的一部分被提了出来。基于本月激光核聚变所取得的突破性成果，科学家们谨慎乐观地认为，NIF可能会实现它的承诺，帮助物理学家更好地理解核聚变的启动以及核武器的引爆。利弗莫尔实验室基础武器物理副主任Mark Herrmann说:「这确实是目前我们面临的一个科学问题。我们能往哪去？我们还能走多远？」NIF有十层楼高，占地面积相当于三个美式橄榄球场，里面安装有一系列的光学原件和透镜，可以将最初的种子脉冲放大并分光成192束紫外波段的激光束，最终将它们聚焦到比铅笔上的橡皮还小的靶上。1.9MJ的能量被注入到黑腔内，在不到40亿分之一秒的时间内产生只有恒星和热核爆炸才有的温度和压力。
在脉冲能量的作用下，黑腔中装载的冷冻氘氚靶实现向心内爆，燃料逐步被加热，聚变，产生氦核、中子和电磁辐射。这一过程的最终目标是利用核聚变产生的粒子进行级联反应，从而维持核聚变实现自持燃烧。当聚变反应产生的能量大于它所消耗的能量时，就实现了点火。8月8日实验的初步结果表明，聚变的能量增益创造了70%的新纪录。NIF从2009年开始运行，为什么要这么长时间才能接近点火？
实现惯性约束聚变点火不是一件容易的事，事实也说明建造NIF比当初想象的要复杂得多。工程的建造于1997年开始，直到10多年后才结束，比原计划晚了好几年，并且超出预算至少24亿美元。
遗憾的是NIF在2012年未能实现其点火目标。多年来，科学家们一直在对该装置进行微调，并对靶进行优化。最近的成果是在多次大规模系统的改造升级后取得的，包括加入了新的诊断，靶制造技术的提升以及激光精准度的控制。早在NIF打第一发实验之前，它就被争议所包围。各个独立的科学家对装置的设计和管理提出了质疑。就在最近的2016年5月，美国国家核安全局（NNSA）就对其能否实现点火目标提出了质疑。NNSA是美国能源部（DOE）的一个分支机构，负责监管核武器并每年为NIF提供约3.5亿美元的资金资助。
NIF将192束激光聚焦到一个目标上，产生类似热核炸弹内部的温度和压力，图片来源 Lawrence Livermore National Laboratory
即使是长期批评该装置的人士也承认，最近的突破向前迈出了重要的一步。曾在华盛顿美国海军研究实验室工作的等离子体物理学家Stephen Bodner说，他对这个结果感到既惊讶又高兴，如果这个结果是可以复制的。他说：「我很期待阅读分析这一结果的科学报告。」利弗莫尔团队及其合作者刚开始分析相关结果，但初步数据表明，与几个月前进行的实验相比，能量产额提升了8倍，与此前报道的2018年的纪录相比增加了25倍。实验室的行政人员说，他们在同行评议发表之前就宣布了相关实验结果，因为这一新闻已经在核聚变领域传播开来。如果NIF能够实现充分点火，这将带给科学家关于核武器的哪些认识？
理论上，NIF可以帮助人们更好地了解启动和维持聚变反应所需的精确条件，从某种意义上说，这是科学家们在过去12年里进行系统优化升级所面对的问题，这同样也是核武器库存管理规划的核心问题。
自1992年以来，物理学家们已经建成了一个涉及面很广的项目来帮助研究美国的核武库。通过拥有越来越强大的超级计算机和数十个其他的研究装置，旨在测试从核材料到核爆组分的一切东西。Herrmann说，虽然NIF还没有引爆这一微型炸弹，但它上面的实验仍然能够帮助科学家们修正用于模拟武器引爆的计算机模型，潜在地减少模拟结果的不确定性。其他的实验可能会用于测试武器中的电子设备和其他部件如何承受敌对战争环境中可能出现的强辐射爆发。许多科学家认为，该设施还有助于吸引年轻的研究人员进入核领域，并保持更广泛的科学研究，从而增强对国家武器储备的信心，并抵御外部威胁。Herrmann说，展示科技实力的整体水平也很重要。一些批评人士质疑科学家们是否需要这个设施来维护美国的核武器。他们表示，核武库管理规划已经增强了核安全管理局内部的信心，但实际上该机构目前提议的是建造新型核武器，而不是以最小的改变来维护现有的武器存储。
美国科学家联合会（Federation of American Scientists）有关核信息项目的负责人Hans Kristensen说：「如果认为即使没有一个正常运转的NIF，也能建造出我们未来50年所需要的很多东西，这要么是极大的傲慢，要么是一种匪夷所思的自信。」Herrmann认为NIF仍然是有帮助的。他说，核武器专家在评估他们的计算机模拟时，需要不断从有限的实验数据中进行推断。从NIF的高能聚变反应中收集到的信息，将使他们能够更直接地测试模拟模型，有望减少其中的不确定性，并使NNSA更易确保核武库中的武器能在需要的时间引爆，而不是在需要的时间之前。实验室的行政人员说，该团队最终能否重复8月8日的结果，最早可能要到10月份才知道。与此同时，科学家们正急于理解并发表他们的发现。Herrmann说，由于该装置的运行处在可能的科学边界，即使靶囊的制造或者激光的调谐存在微小的变化，也可能使系统产生的能量比之前的实验更多或者更少。他说：「由于之前的靶已经被炸毁，所以我们无法进行完全相同的实验。」 但他补充道，随着时间的推移，科学团队应该能够重复这一成果，并以此推动设施的进一步升级。https://doi.org/10.1038/d41586-021-02338-4