点燃“人造太阳”的曙光

  2012年3月15日，在美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验，世界最大激光器、被称为“人造太阳”的国家点火装置（National Ignition Facility，简称NIF）进行了一项超级激光实验。实验过程中，装置所释放出的192束激光，在230亿分之一秒的时间内，产生出1.875兆焦耳的能量。激光束在经过一系列透镜聚焦后，形成2.03兆焦耳的冲击波。

  这束堪称史上最强的激光在一举打破纪录的同时，也成为世界上首个2兆焦能量的紫外激光。国家点火装置负责人强调：“这是一次不寻常的激光演示，显示了国家点火装置的能量、精度、功率和可用性。实验结果令人振奋，这是人类可控核聚变研究的一个新的里程碑。”

国家点火装置的前世今生

  1992年7月，克林顿总统宣布美国延期暂停核试验，同时责成能源部探索在不进行地下核试验的情况下确保美国核弹头先进、可靠和保密的其他途径。

  1994财政年度，能源部提交一项有关美国核武器核心知识和技术资料安全管理的计划。1994年11月，被称为“国家点火装置”的激光核聚变计划正式签发，同时得到能源部“惯性约束核聚变”顾问委员会的赞同。

  1996年，国家点火装置在国会预算中获得0.61亿美元的拨款。1997年，美国国家点火装置建造工作动工。这项军民两用的高能激光核聚变研究工程计划总投资为22亿美元，但由于问题诸多，进展速度一直缓慢。同时，因为参杂了与核武器相关的实验，而招致多方批评。到目前为止，国家点火装置已经耗资近40亿美元。

  2010年10月，国家点火装置完成了其首次综合“点火”实验，激光系统向低温靶室发射了1兆焦激光能量，这已经是当时世界第二大的罗切斯特大学激光实验能量的30倍之多。而近日，其再次打破了自己的纪录。据国家点火装置负责人摩西介绍，2.03兆焦的激光在经过光学损耗后，射于靶室正中心的为1.875兆焦，激光部件的损坏小于模型测试，且激光器在36小时之后又可以再次发射出创纪录的一击。不过，本次实验只为证明性测试，目标靶室是空的。但究其意义，仍不失为聚变能源探索之路上的一座里程碑。

国家点火装置的三大核心任务

  美国国家点火装置是世界上最强大的激光核聚变研究设备之一，它的目的是实现可控核聚变，人们常常称之为“人造太阳”。国家点火装置先期研制的主要支持力量来自军方的核武器项目，它的任务有以下3项。

  第一个任务是保证美国的能源安全。科学家希望借助国家点火装置，来制造类似太阳内部的可控氢核聚变反应，最终有望让人类于实验室里取得核聚变能源。

  第二个任务是揭示宇宙的秘密。宇宙中恒星的内部压力可能会比地球中心的压力高1000倍，以前在实验室中没有条件做这方面的模拟试验，但国家点火装置可以模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，进行科学试验。

  第三个任务是用它来模拟核爆炸。这也是美国建设国家点火装置的初衷，即作为美国核武器储备管理计划的一部分，保证美国在无需核试验的情况下，可以研究核武器的性能，保持核威慑力。

庞大而又复杂的巨型光学系统

  国家点火装置是一栋10层楼高的建筑物，长215米，宽120米，其面积相当于3个足球场。这是目前世界上最大和最复杂的激光光学系统，它将模拟同太阳和其他恒星内部相似的条件，使氢原子核发生聚变形成氦核，并释放能量，其目的是成为第一个突破平衡点的设施，即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量，从而在实验室条件下实现人类历史上的第一次聚变点火。

  这是一项庞大而又复杂的巨型光学工程。整套国家点火装置要运作，必须启动60000具各种高科技装置。其主光路分为6个部分，分别是主激光系统、光束控制系统、激光注入系统、光脉冲发生系统、光开关区域以及终端光束会聚系统。装置内部设有130吨重的目标靶室，这是装置最核心的部分。靶室里的中心孔洞直径达10米，用30厘米厚的混凝土掩埋，旁边有激光器向其中发射激光，并促使包含氘和氚气体的目标靶丸产生极大的高温和高压。“点火”实验时，这个靶室的条件将接近或达到太阳内部核聚变反应时的条件。

  美国国家点火装置的真正“点火”过程为：先将外部激光增强10000倍，然后将一束激光分离为48束激光；再增强，进一步分离为192束激光，其总能量增加到原来能量的3000万亿倍；再聚焦到直径为3毫米的氘氚燃料靶丸上，产生1亿度的高温，压力超过1000亿个大气压，进而引发核聚变。氢弹爆炸和太阳核心会发生这类反应。

  国家点火装置控制室有一套十分先进的电脑自动控制系统，它模仿了休斯敦美国宇航局的任务控制中心，被称为史上科学仪器设计最复杂的自动控制系统之一。如同惊险的交响乐团一样，要让192束激光在十亿分之一秒同时发射击中豌豆粒大小的燃料靶丸。误差不能超过30皮秒（1皮等于1万亿分之一）。专家们形象的比喻，国家点火装置的准确度，必须像在旧金山投球射中560公里外的洛杉矶的一个篮框。要达到这准确度，国家点火装置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。

国家点火装置的新能源之梦

  国家点火装置的核心技术是核聚变。通俗一点说，核聚变就是两个轻的原子核相碰，形成一个重的原子核并释放出能量的核反应。只有较轻的原子核才能发生聚变，比如氢的同位素氘、氚等，但核聚变释放的能量却比核裂变更大。比原子弹威力更大的核武器——氢弹，就是核聚变反应。在自然界，太阳的内部连续不断地进行着氢聚变成氦过程，太阳产生的光和热就是由核聚变带来的。现在，人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要能为人类服务，就必须使核聚变在人为控制下进行，掌握核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。这就是受控核聚变。

  受控核聚变前景诱人。不仅仅因为能量的产生，而且由于核聚变所需的原料氘可以从海水中提取。据测算，每升海水中含有0.03克氘，地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。按目前世界能量的消耗率估计，地球上蕴藏的核聚变能可用100亿年以上。这意味着，这种核聚变过程一旦被驾驭，人类将获得一个取之不尽的清洁能源。

  50多年来对热核聚变的研究，不外乎沿着“磁约束”和“惯性约束”两大途径进行。

  “磁约束”是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆。在聚变反应堆中，将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。

  “惯性约束”与磁约束不同，实际上对等离子体不加约束。而是利用粒子的惯性，在它们来不及跑散之前就发生聚变反应，以取得足够的能量。氢弹爆炸就是采用了惯性约束，不过氢弹是靠原子弹引爆的，而人类目前还无法加以控制，于是就改用其他高功率物质（如激光、电子束、离子束）来轰击一颗颗微小的氘氚燃料丸，将它极其快速地压缩和加热，这实际上是一颗颗微型氢弹爆发。

  尽管目前人类距离拥有“人造太阳”还有相当长的路要走，但2兆焦激光“点火”的实现，还是让技术发展向实现可控核聚变更近了一步。如果国家点火装置“点火”核聚变发电成功，人类将真正拥有取之不尽、用之不竭的清洁新能源。当然，这一天还很遥远！