|
美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置是美国核武器库存管理计划的重要组成部分，该装置是目前世界上规模最大的核武器科研设施，同时也是世界上最大、能量最高的激光设施。 一、什么是国家点火设施美国国家点火装置是当今世界上最大和最复杂的惯性约束聚变研究装置。1972年，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的核科学家约翰·纳科尔斯首先提议建造一座基于惯性约束聚变技术的装置，由高功率激光将微克量级的冰冻氘和氚（氢的同位素）加热，以驱动聚变反应。1997年，能源部基于该概念启动了“国家点火装置”的建设，历时12年，总耗资35亿美元，于2009年建成。国家点火装置的主要作用是利用惯性约束聚变创造出极高温与高压条件，实现在实验室小规模地模拟核爆炸所产生的热核反应环境，为核武器计算机模拟提供相关技术支持。 （一）规模世界最大 美国国家点火装置的大小相当于一个可容纳三个足球场的体育场，主设施的占地面积约7万平方米。国家点火装置长200米，宽85米，主要由两部分组成：192路高能量激光系统和直径10米、重约450吨的靶室。  （二）极端高的精度 美国国家点火装置拥有世界上最精确和可复制的激光系统。它可将192束强大的激光束精确地引导、放大、反射和聚焦，并在十亿分之一秒内聚焦到一粒胡椒粒大小的靶丸上，提供超过200万焦耳的能量和500万亿瓦的峰值功率。  国家点火装置的激光传输系统  国家点火装置共拥有192路激光传输系统   正在建造中的体积庞大的激光聚焦靶室，重约450吨。  靶室内部的靶丸支架，工作人员通过举升机检查和安装靶丸。  在靶丸支架的头部是由黄金制成的“黑腔”  “黑腔”为黄金制成，内壁采用了特殊的反射材料  仅为胡椒粒大小的靶丸内贮存了超冷冻的氘氚气体 （三）极端苛刻的条件 国家点火装置产生的目标温度可超过1亿摄氏度，压力超过1000亿个大气压。这些极端的条件导致靶丸中的氘氚原子发生聚变并释放能量。  国家点火装置的工作原理示意图 192束激光从产生到轰击靶丸要走过1500米的路程，但是时间仅需约5微秒。 在国家点火装置运行中，首先产生一个较弱的激光脉冲（大约十亿分之一焦耳），通过光纤传输到48个前置放大器，将激光脉冲的能量放大数十亿倍，达到数焦耳。48束激光被整合为4束，分别注入192路主激光放大器管路中。经放大的192束激光由3组激光反射镜引导，分别经过两个大型玻璃放大器，首先是功率放大器，然后是主放大器。美国能源部研究人员研制了一种名为等离子电极光学开关，可使激光束在主放大器中来回4次，并通过特殊的可变形镜、空间滤波器和其他装置，确保激光的均匀和高质量。 激光束离开主放大器后，经过功率放大器，能量已经增加到月400万焦耳，这个过程仅仅需要几毫秒。之后，激光束将通过一系列传输镜被引导到硕大的靶室内，经过终端光学组件，将激光脉冲从红外线转变为紫外线，并聚焦到靶丸上。  激光聚焦到“黑腔”内压缩靶丸的示意图 共计192束激光，总能量可达200万焦耳，峰值功率可达500万亿瓦，分成各96束激光从“黑腔”的两端射入，在内壁反射后产生X射线，对“黑腔”内的靶丸进行瞬间压缩，靶丸内氘氚原子在极端高温和高压环境下发生聚变，产生氦原子核（α粒子），并释放高能中子和其他形式的能量。如果条件适当，内爆是对称的，对靶丸中心的压缩和温度足够高，则产生的α粒子将轰击周围的聚变燃料，从而引发自持的聚变反应，这个过程就被成为“点火”，也就是国家点火装置名称的由来。 二、国家点火装置的实验进展2010年，国家点火装置进行了建成后的首次综合点火验证实现，成功检验了装置的靶物理设计、激光器、靶件制造、靶件诊断、控制以及数据系统。此后能源部一直通过实验不断完善靶丸与系统设计。 2014年，《自然》杂志首次刊文称，国家点火装置首次实现聚变反应能量增益（即聚变反应释放的能量超过了靶丸吸收的能量），取得重大突破。此后，为实现“点火”成功，能源部国家点火装置聚变研究团队持续开展实验，有力地推动了惯性约束聚变技术的快速发展。 2022年1月26日，《自然》杂志报道了美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置聚变研究团队最新研究成果。该团队通过国家点火装置成功获得“燃烧等离子体”，并产生了创纪录的1.35兆焦能量，相比2020年获得最高能量提高了24倍，接近了“点火”所需的1.9兆焦能量，向成功“点火”迈进了一大步。 三、国家点火装置的作用美国推动国家点火装置的“点火”实验，主要目的是保证核武库的长期安全。在禁止核试验的情况下，从短期来看，目前的核武器库存管理工作能够保证核武器的安全和性能，但是随着核武器钚弹芯不断老化，以及未来对研制新型核武器的需求，现有的评估和实验手段不能满足上述要求。此外，美国通过建造和运行国家点火装置，助推了聚变与核武器技术相关的多个科学领域的发展，为美国培养出高水平的科研人才梯队，使其继续保持核武器技术方面的科研与人才高地的地位。 美国建设国家点火装置的目的是为国家核武器计划提供支持。2005年能源部部长博德曼曾表示，“国家点火装置能够模拟核爆炸的温度和压力，为评估核武器性能提供关键数据。在不进行地下核试验的条件下，使我们增加了对评估核武库有效性和可靠性的信心”。 利用国家点火装置开展聚变研究，通过测量与温度、密度和压力相关的聚变参量，作为计算机模拟核爆的标定参数，以更加精确地模拟核武器次级和助爆裂变的某些过程，补充与核武器物理知识相关的实验数据，改进计算机模型。 |
|
|
