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特征

背景

封閉型核聚變（ICF）裝置是使用外部的熱能來源注入其中，以達到封閉區(qū)內(nèi)的高溫高壓。封閉區(qū)中央的目標(biāo)是一個包含若干核燃料的小球，可能使用氫或氚。高溫激光會使小球表面等離子體化，表面也會炸開。其余中心材料受到牛頓第三定律驅(qū)使，最終會向中央坍縮，這也被稱為內(nèi)爆。而爆炸波會使小球均勻的向中央塌縮，使得球中的核燃料在高溫高壓下達到極高的密度。核燃料密度足夠高應(yīng)該就會發(fā)生核聚變。

核聚變會放出大量產(chǎn)物，其中一些（主要是α粒子）碰撞到外層高濃度燃料材料就會減速下來。偵測到期間產(chǎn)生的碰撞熱能后就可以斷定發(fā)生核聚變反應(yīng)。在內(nèi)爆時，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這現(xiàn)象就稱為"點火"，這是引發(fā)核聚變的重點過程，并且會放出大量能源.

一個工人在NIF 10米寬的目標(biāo)球體中。周邊的大洞就是激光射入口。

日本制造豪雅激光玻璃板也是史上最大的定做品。

檢視口容許看入內(nèi)部的直徑為30英尺的靶室。

靶室上部1/3的外部視圖。大型方塊物就是激光組件。

一名技術(shù)員把儀器罐裝入真空密封的診斷儀器。

主放大器使用泵閃光燈是有史以來最大的商業(yè)生產(chǎn)閃光燈。

計算顯示必須要在燃料球被震暴波爆開前的數(shù)微秒之間注入足夠能量才能核聚變成功。而且加諸小球上的能量必須要極度高能卻又均勻才能使球體向中央均勻坍縮至高密度。雖然考慮過其他施加能量的方法，例如重粒子加速器，但目前還是只有激光科技能達成此種要求。

驅(qū)動激光

NIF目標(biāo)是造成500太瓦（TW）能量的激光在1微微秒的同一瞬間擊中球體。設(shè)計中是采用192門總成激光光束，每四具激光產(chǎn)生器一組共48組 每組經(jīng)過16道強化過濾器。

為了保證激光產(chǎn)生器同步化，所有激光的最初光源都是來自單一產(chǎn)生器（ILS）再分割強化。因此最初的激光能量只有一具1053nm的鐿紅外線激光主控振蕩器搭配光纖引導(dǎo) 分裂進入48具擴大器（PAMs）。擴大器會讓光束循環(huán)經(jīng)過四次釹玻璃，每層增強6焦耳能量。原本的設(shè)計中這層擴大器會將建筑物分割成兩半。改良設(shè)計后可以達到更大功率所以也就縮小了體積。

主擴大器原理一樣但是更大且位于激光末端。發(fā)射后第一層擴大器會點燃7,680具高能量氙燈（每層小擴大器還有自己的氙燈）。所有燈是用大量電容器的能量發(fā)出400百萬焦耳（MJ）光能。當(dāng)光波經(jīng)過，擴大器會把儲存的能量加入其中，這并非是很有效率的機器，也只有約1/4的能量會成功加入到光束中；所以為了解決這問題光束才要使用光纖導(dǎo)軌進入反射腔重復(fù)通過四次。一系列擴大最后會把原本的6焦耳激光加強到4百萬焦耳。 雖然只能維持幾1納秒，但是能量可以達到極高，瞬間超過500TW。

當(dāng)擴大器把能量加入激光中后，激光會直接射往末端的目標(biāo)球。整條激光光束貫穿建筑物長達1,000呎（305m）而不中斷。其中大量的長度都是在慮光器中渡過，它是一種瞄準(zhǔn)最終目標(biāo)點的類似望遠(yuǎn)鏡管狀物，并能切斷任何偏離的光束還能確保激光以極高精確度命中。濾光器科技都來自早期的一項LLNL實驗“獨眼巨人”項目。最后多種不同的最高深光學(xué)科技包裝成線性替換單元（LRUs），這種汽車大小的單一方盒可以在損壞或升級時整組模組化拆裝而不必改動建筑物。

  NIF基礎(chǔ)平面圖。激光產(chǎn)生器在中間偏右。左上方則是光學(xué)玻璃組件，經(jīng)由藍(lán)色管線進到上方擴大器（紫色）幾層強化后純凈的光束進入紅色的匯總器達到銀色球體內(nèi)；整個NIF有三座足球場大。

在擊中球型目標(biāo)室之前激光會進入反射場，通過一系列反射鏡分裂成許多道光束圍繞著球型目標(biāo)室從不同角度射入，讓其中的燃料球從不同方向被擊中。從主震蕩器到最后射入球體的整個全長過程中；科學(xué)家可以用諸多光學(xué)設(shè)備調(diào)整以放慢光的速度使它們在同一微微秒間同時擊中。 像平面圖所示，NIF的激光發(fā)生器是在上方和下方。目標(biāo)室和反射場system can be reconfigured by moving half of the 48 beamlines to alternate positions closer to the equator of the target chamber.

  LLNL使用切成薄片的大型磷酸二氫鉀（KDP）水晶體用于NIF的光頻轉(zhuǎn)換器，把1053nm紅外線基本波轉(zhuǎn)換至351nm紫外線波。

集中目標(biāo)前的一個最終程序會將1053 nm紅外線從轉(zhuǎn)換成351 nm紫外線（UV）該程序使用一種光學(xué)頻率倍增器來達成 。

NIF和ICF

  NIF用的燃料球填充有D-T氣體或D-T結(jié)冰體。整粒膠囊使用細(xì)塑膠線固定在環(huán)空器之中.

本設(shè)施名為"National Ignition Facility"明確表示"igniting"亦即采用點火方式啟動核聚變是目的，也是第一種長期運轉(zhuǎn)核聚變的研究之門。之前的非核武型核聚變實驗只有使用等離子體包覆的一種托卡馬克裝置，表示外部能量的輸入必須全程不中斷以維持等離子體，如果等離子體層出現(xiàn)破洞將有極大災(zāi)難。點火式的好處就是一但開啟核聚變可以自行聚變?nèi)剂锨蚝缶涂梢灾袛嗤獠磕芰抗?yīng)。因為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的能量可以自動聚變剩下的材料。因此點火式成為目前最有希望邁入實用化的唯一途徑。

NIF設(shè)計上首次采用 indirect drive 運作方法，激光全部能量集中在一個環(huán)狀物中的小球。環(huán)狀物稱為 環(huán)空器 （德文中的"空洞"、或洞穴），可以重復(fù)激發(fā)X光頻譜，比傳統(tǒng)激光光束更均勻?qū)ΨQ。該理論是根據(jù)80年代OMEGA laser和Nova laser的實驗結(jié)論。

  專為NIF打造的鍍金環(huán)空器。

這種轉(zhuǎn)換過程已經(jīng)很有效率；原始的4MJ激光光束能量輸出中大約10到20%的x光會在目標(biāo)外層損失1.8MJ能量會轉(zhuǎn)換成UV，另外一半多的能量會在環(huán)空器轉(zhuǎn)成x光損失掉。

NIF一直在測試新型材料。先前的試驗多半采用塑膠燒蝕材料，例如聚苯乙烯（CH）。NIF的目標(biāo)球外層是塑膠物質(zhì)再噴上一層鈹或鈹銅合金，之后鈹便會氧化塑膠。 與塑膠相比；鈹制標(biāo)靶對x光是高濃度不透明體，也是高傳熱體。這都有利于間接擊中型機構(gòu)設(shè)計的x光能量型態(tài)。使得更多的能量總值施加于內(nèi)部核聚變本身。

雖然NIF主要設(shè)計為間接擊中裝置，但它產(chǎn)出的能量完全足夠使用直接擊中法，只要能量激光持續(xù)照射于目標(biāo)。因為UV波長的能量在NIF的設(shè)計中遠(yuǎn)超過點火所需。

發(fā)展史

動機

LLNL的ICF項目始于物理學(xué)家John Nuckolls的構(gòu)想，他在1972年提出只要1kJ的激光能量就有可能達成核聚變，輸出達到1MJ的能源。 雖然這理論中沒有太復(fù)雜的機械構(gòu)造，但是超高能量激光依然超出當(dāng)時的最高工藝，當(dāng)其他項目在研究氣體激光（例如洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Antares laser項目）或KrF（例如美國海軍研究實驗室的勝利女神計劃）LLNL卻決定全力專攻玻璃激光為主并啟動了諸多以此能量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的激光研發(fā)項目。1980年代時LLNL的Shiva laser項目有了突破進展驗證了短波能量傳遞。這結(jié)果使LLNL成為玻璃激光的先驅(qū)并引導(dǎo)未來的激光領(lǐng)域研發(fā)。

在Shiva項目后，LLNL發(fā)現(xiàn)至少要20條200kJ激光才能啟動核聚變反應(yīng)。在Nova項目初始建造階段，Nuckolls博士發(fā)現(xiàn)他的計算有一個錯誤，在1979/10另一John Foster Jr.教授也發(fā)現(xiàn)此一錯誤造成能量并不能達成點火核聚變。所以后來Nova更改設(shè)計成10門較小的351nm激光，但是增加頻率以加強能量密度. Nova上線運作后透過多個非線性光學(xué)機傳出的激光能傳遞20到30 kJ能量，只有原本預(yù)計的一半。

隨著整個實驗成果一一浮現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)達到點火所需的實際能量一次比一次計算要高；當(dāng)時理論上的200kJ能量也顯得有點站不住腳。美國能源部（DOE）決定直接展開全面實驗是最好的平息紛爭方式，在1978到1988年間一系列秘密實驗在內(nèi)華達核爆場展開以驗證ICF組件的X光數(shù)據(jù); LLNL將此機密計劃取名"巖鹽"，LANL則取名"百夫長"。 第一批數(shù)據(jù)于1984年爐，直到1988年完成最后測試。雖然本系列機密計劃只有很少部分公諸于世，但是還是可以推估本計劃最終發(fā)現(xiàn)需要20MJ能量才能達成激光核聚變，而且只有1/5不會被變成X光，因此初始能量至少要100MJ的激光發(fā)射器才夠.

LMF和Nova升級

Nova計劃部分成功，結(jié)合了Halite-Centurion計劃數(shù)項成果，激勵了DOE去設(shè)計一種軍用ICF的概念項目稱為"實驗型微核聚變設(shè)備"（LMF）可以產(chǎn)生100到1000（MJ）百萬焦耳間的能量?；贚ASNEX電腦模擬，估計LMF需要輸入10百萬焦耳能源， 加上Halite-Centurion測試中的瓶頸。間接暗示了建造這種設(shè)施是可行但是很難的，且必須花費十億美元以上。 依據(jù)此模擬LLNL交出一項設(shè)計是輸入5 MJ 350nm（UV）能量后產(chǎn)生200 MJ能量的設(shè)計案，足以達成多數(shù)LMF的要求。預(yù)算大約6億美元（1989年物價），而且日后可以再加2.5億美元升級成1000 MJ的加強型，而如果愿意投入十億美元的話LMF中所有DOE要求的目標(biāo)都能達成。 當(dāng)然此時也有其他實驗室提出各種其他技術(shù)的LMF設(shè)計案。

面對如此大型項目，在1989/90年間美國國家科學(xué)院擬定了一項ICF成果檢驗報告承交國會。報告中表示“基于評估了射與物理效能上的需求，本計劃需要10億美元成本，本委員會相信LMF是過于龐大的一步性計劃。”他們建議短期目標(biāo)應(yīng)該分成幾個小階段點火試驗為主，直到結(jié)論確定前LMF都不應(yīng)該建立全尺寸實驗設(shè)施。 本報告也評論了氣體激光被LANL放棄的計劃，并建議其他實驗室的相似項目也放棄氣體激光。并認(rèn)可了LASNEX數(shù)量與總能量應(yīng)該接近10MJ。雖然如此但是有委員還是顧及到更高能量需求，因此注解“基于需求和達成點火，可以在合理范圍內(nèi)經(jīng)過全體委員同意將ICF能量提升到100-MJ之內(nèi)的任何值?！?

NIF問世

  國家點火設(shè)備的前置放大器是增加激光束朝向目標(biāo)室的能量的第一步。在2012年，NIF實現(xiàn)了一次500太瓦特（terawatt）的射擊，比美國在任何時候使用的功率高出1000倍。

冷戰(zhàn)結(jié)束后美國國防政策和預(yù)算都大量減少。限武條約大量節(jié)制了核武數(shù)量和種類，美國出現(xiàn)了一整代的核武工程師人力斷層無法來維護現(xiàn)有核武或是設(shè)計新核武。 在此同時全面禁止核試驗條約，禁止了所有核試。也造成設(shè)計新核武的高難度。

這些問題催生了“核武儲存與維護項目”，其中也包含了一筆預(yù)算在不試爆的前提下設(shè)計或改裝新核武。一系列計劃會議在1995年展開，以定訂各實驗室所分配的計劃和預(yù)算。其中包含一個重要部分是確認(rèn)ICF核聚變電腦模擬的實驗。原有的Nova升級計劃案對于此計劃來說規(guī)模太小， 所以NIF于1994年重新設(shè)計一個成本超過10億美元的項目， 并于2002年完成。物理學(xué)家Richard Garwin如此評論計劃結(jié)果，"山迪亞國家實驗室建造了微電機動力研發(fā)中心MESA以得到最適當(dāng)?shù)腃TBT。洛斯阿拉莫斯國家實驗室建造了雙軸光學(xué)動力測試設(shè)施。勞倫斯利福摩爾國家實驗室卻建了 國家點火裝置 —就像一頭白色大象從房子外直接把我們連房子一塊吃了。他們都說這是核武儲存與維護項目，其實并不僅于此。"

評論家以陰謀論解讀當(dāng)年的那些"契約分配會議"，本大型預(yù)算項目中很多是來自其他高風(fēng)險武器實驗室的眾多小項目預(yù)算，最后結(jié)合出現(xiàn)在這, in particular, Sandia National Laboratories. In May 1997, Sandia fusion scientist Rick Spielman publicly stated that NIF had "virtually no internal peer review on the technical issues" and that "Livermore essentially picked the panel to review themselves" Similar complaints about the makeup of the "oversight" committees, consisting largely of LLNL contractors, led to a lawsuit being filed by the Natural Resources Defense Council. A retired Sandia manager, Bob Puerifoy, was even more blunt; "NIF is worthless ... it can"t be used to maintain the stockpile, period."

早期問題

當(dāng)NIF開始采用單一光束原則建造驗證機時，1994到97年間進展順利。

Sandia，有關(guān)于脈沖能量傳遞的豐富經(jīng)驗，并于1998年成功設(shè)計了用于高能量氙燈的電容器庫。但是意外還是發(fā)生了，脈沖能量調(diào)節(jié)模組（PCMs）使電容器爆炸。這件事導(dǎo)致PCMs重新設(shè)計以容納更多誤差，但是此同時建筑物卻還是依照原始設(shè)計持續(xù)建造，導(dǎo)致變大的新模組很勉強塞進屋中而沒有任何空間可以進行現(xiàn)場維修之用。

最近的進展

  激光間(Laser Bay)2號于2007年7月投產(chǎn)

2009年1月26日，最終替換單元（LRU）安裝完畢，這是NIF最后的重要組件。2009年也完成激光定位，激光同步，順暢營運分析等科目操作。期待已久的試驗預(yù)計在2009年就會展開2010正式點火。

2009年2月10日，全部96門激光第一次發(fā)射出1.1 MJ（百萬焦耳）紫外線能量將近3ω，也擊中目標(biāo)室。主激光理論上可達1.952 MJ總功率。這也是歷史上第一次創(chuàng)紀(jì)錄有激光達到百萬焦耳等級。

2013年11月19日的實驗中，NIF的192束激光將1.9 MJ熱量送入環(huán)空器，在環(huán)空器內(nèi)部產(chǎn)生近1億攝氏度高溫(比過去高50%以上)和1千萬個大氣壓強。聚變?nèi)剂厢尫拍芰?7.3 kJ，大約為以前紀(jì)錄的10倍。

進展歷史

  工程人員工作在國家點火裝置（NIF）的靶室內(nèi)部的靶定位器。

激光單元LRU于2005年開始安裝，工程速度也開始加快。早在2003年5月，NIF就完成了第一組4條光束的激光器，并產(chǎn)生10.4kJ紅外線能量的試射。 之后2005年內(nèi)又完成8組激光器共153 kJ紅外線能量輸出，當(dāng)時就已經(jīng)是地球上最高能量的激光。2007年1月所有主震蕩器內(nèi)的LRU安裝完畢，控制電腦也安裝成功。到了8月，96條主激光光束全部上線理論總能量達2.5 MJ，比世界最大的Nova激光器還強40倍。" 實驗室表示2009年3月所有主結(jié)構(gòu)體會完工，2010年將進行第一次1.8MJ實驗性紅外線激光點火。

2009后整體計劃評估很樂觀，預(yù)算也控制在預(yù)估之內(nèi)。然而還是有人對第一次點火的成功率擔(dān)心，在最近由一份獨立第三方評估團體JASON Defense Advisory Group的報告指出，雖然計劃轉(zhuǎn)趨樂觀然而"即使大量克服了科學(xué)和技術(shù)的挑戰(zhàn)讓2010年前點火實驗變成可行，但是成功率依然不可預(yù)期。" 但是工程小組暗示如果跳過低功率測試，也許有可能在期限前達到全功率運轉(zhuǎn)。

NIF計劃的諸多延遲使得法國的 Laser Mégajoule （ 英語 ： Laser Mégajoule ） 計劃得以趕上，該計劃幾乎是NIF翻版。Mégajoule雖然開始比NIF晚但是建造期間計劃短，原本估計2008完成?？膳錾现T多問題現(xiàn)在力拼2010完成.

  燃料輸出的能量（紅球：lgnition）大于燃料吸收的能量（Capsule compression），即為： 燃料增益 ；大于進入系統(tǒng)的能量（Laser energy into the Hohlraum）,則為： 總增益 。

2014年2月，NIF用192支激光加熱和壓縮燃料芯塊，第一次實現(xiàn)了“燃料增益”，即燃料輸出的能量大于燃料吸收的能量。這是世界第一臺能實現(xiàn)“燃料增益”的核聚變裝置，這項發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著核聚變能源將步入新時代，研究的下一個目標(biāo)將會是實現(xiàn)“總增益”，即系統(tǒng)產(chǎn)生的能量必須超過進入系統(tǒng)的能量。

批評

外界批評集中在項目計劃層面，原本NIF定位角色集中在‘儲存與管理項目’（SSP）。本計劃是為了重整長期核武儲備與再利用，對外宣稱多樣化的團隊都為了"科學(xué)福祉"而努力；但是實際上只有一小部分預(yù)算是科研，大部分預(yù)算是為了讓核子工業(yè)存活。美國科盟認(rèn)為“許多主張是政治考量；在實驗室所稱的延期試驗期間持續(xù)消耗大量又昂貴的開銷?！?NIF其實是SSP最弱的環(huán)節(jié)，因為有一些人懷疑它所實驗的成果到底有多少實用性，還是只是一個不知所謂的大玩具。

2007一份國家科學(xué)顧問委員會報告指出“NIF是‘儲存與管理項目’（SSP）的關(guān)鍵部分因為它所創(chuàng)造的極端高溫高壓環(huán)境在地球上只有核爆能比擬，因此可以對未來核武研究有幫助。” 然而此份報告論述被質(zhì)疑者視為笑柄。

類似的項目

其他聚變反應(yīng)堆設(shè)計也可以在將來潛在的能量來源。一些類似的實驗項目有：

DEMOnstration Power Plant （ 英語 ： DEMO ） （DEMO）

High Power laser Energy Research facility （ 英語 ： HiPER ） （HiPER）

國際聚變材料放射測試設(shè)施（IFMIF）

國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（ITER）

歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（JET）

Tore Supra （ 英語 ： Tore Supra ）

Laboratory for Laser Energetics （ 英語 ： Laboratory for Laser Energetics ） (LLE).

Laser Mégajoule （ 英語 ： Laser Mégajoule ） （LMJ）

文德爾施泰因7-X

磁化內(nèi)襯慣性核聚變（MagLIF）

全景照片（Panorama）聚變室外部照片。

參見條目

理論

核聚變（Nuclear fusion）

磁聚變能

聚變反應(yīng)

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

廠商

豪雅 (日本)

其他裝置

歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（JET）

國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（ITER）

EAST聚變反應(yīng)裝置

KSTAR聚變反應(yīng)裝置

坐標(biāo)： 37°41′27″N 121°42′02″W ? / ? 37.690859°N 121.700556°W ? / 37.690859; -121.700556

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