——National Ignition Facility Project 美国国家点火装置 ——National Ignition Facility Project 应物81 刘超 08093014

美国国家点火装置（NIF）（即激光聚变装置）由位于美国加州的国家实验室研制，最终的目标是2010年实现聚变反应，并达到平衡点，即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量。该计划建造和运行花费超过35亿美元，容纳NIF装置的建筑物长215米，宽120米，相当于三个足球场。

位于加州利弗莫尔的美国点火装置的外部一瞥。美国点火装置于2009年3月竣工，2009年5月31日投入使用。

原理 国家点火装置可以把２００万焦耳的能量通过１９２条激光束聚焦到一个很小的点上，从而产生类似恒星和巨大行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。在此基础上，科学家可以实施此前在地球上无法实施的许多试验。 目标定位器和目标对准系统（target alignment system）

实验过程 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毫米的氘氚小丸上，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。每束激光发射出持续大约十亿分之三秒、蕴涵180万焦耳能量的脉冲紫外光——这些能量是美国所有电站产生的电能的500倍还多。当这些脉冲撞击到目标反应室上，它们将产生X光。这些Ｘ光会集中于位于反应室中心装满重氢燃料的一个塑料封壳上。X光将把燃料加热到一亿度，并施加足够的压力使重氢核生聚变反应。释放的能量将是输入能量的15倍还多。这是因为激光在镜面之间来回反射，并通过3000块磷酸盐玻璃，其中的钛原子会使激光束扩大。国家实验室有850名科学家和工程师。另外大约有100名物理学家在那里设计实验。

包含放射性氢同位素：氘和氚的铍球

重达800磅（360公斤以上）磷酸二氢钾晶体，整个点火装置需要60个这种晶体。

任务 国家点火装置共有３个任务： 第一个任务是让科学家用它模拟核爆炸，研究核武器的性能情况，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保持核威慑力。

任务 第二个任务是使科学家进一步了解宇宙的秘密。科学家可使用国家点火装置模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，进行科学试验。这些试验大部分不会保密，将为科学界提供大量此前无法获取的数据。

任务 第三个任务是保证美国的能源安全。科学家希望从2010年开始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，最终用来生产可持续的清洁能源。公报说：“国家点火装置所产生的能量远大于启动它所需要的能量，这是半个多世纪以来核聚变研究人员一直梦寐以求的‘能量增益’目标。如能取得成功，将是有历史意义的科学突破。”

点火演练 美国国家点火装置近日首次成功地实施一次完整的点火演练。科学家们将触发器放置于一个胡椒籽大小的核燃料球上。强大的能量立即将核燃料球压碎，并释放出大量的中子。在9月29日的点火演练中，科学家们将192束激光束聚焦于一个直径大约为30英尺(约合9.1米)的球体中。在这个球形靶室中，有一个很小的塑料小球，里面充满了较重形态的氢(氚和氘)，将接受1兆焦能量的冲击。

点火演练 这次点火演练中的激光脉冲能量只有其完全能量的75%左右。此外，低温冷却的燃料球并没有充满最理想的燃料。在真正聚变点火之前的这一两年内，国家点火装置将每个月都进行一次类似的综合点火。在此次点火演练中，大约有10万亿中子从靶室中涌出。这表明，燃料球中的较重氢(氚和氘)已成功实现聚变。在最终点火目标的链式聚变反应中，飞出的中子将比这1000倍还要多。

圆形靶室直径为10米，由一块块10厘米厚的铝板预先成型后焊接而成。它上面覆盖着0 圆形靶室直径为10米，由一块块10厘米厚的铝板预先成型后焊接而成。它上面覆盖着0.3米厚的混凝土。混凝土中注入了硼，用以吸收聚变反应产生的中子。靶室上的小洞可以让192束激光进入靶室，同时，技术人员还能通过它们研究里边的情况。 美国点火装置最大的设备就是130吨重的靶室。靶室中间有6片对称的铝板，外层有12片非对称的铝板。

在靶室安装到位之后，7层楼高的围墙和屋顶也将随即竣工。

融化并粗切成块的激光放大器玻璃薄片，美国点火装置共需要3072块这样的掺入钕的磷酸盐玻璃薄片。

美国点火装置需要的光学组件是用磷酸二氢钾（KDP）和氘磷酸二氢钾（DKDP）的大单晶体制造。每个晶体被切成40平方厘米的薄片。用传统方法生产DKDP单晶体大约需要两年时间。随着快速生产KDP晶体方法的开发，这一时间已缩短为两个月。目前，用这种新方法制造的光学组件最大可达66厘米宽、50厘米高，重达840磅（约合380公斤）。美国点火装置需要192个用传统方式制造的DKDP光学组件，480个用快速方法制造的KDP光学组件。大概75个制造完成的晶体总重量将接近100吨。

终端光学检视系统（FODI） 自动组装机器，以制造小而复杂的激光驱动聚变点火目标。 终端光学组件，包括用于光束调节、色彩转换及色彩分离的特制光学元件。它们还能将1600平方厘米的光束聚焦到直径仅4平方毫米的目标上。

终端光学检测系统 正在被插入的目标定位器（位于7点钟位置）。由美国点火装置的高功率激光器发出的脉冲射向目标湾（Target Bay），它们在数万亿分之一秒内同时到达靶室的中心，准确度相当于人类发丝的直径。

黑体辐射空腔 这是一个有铍涂层的直径2毫米的激光聚变靶舱模型，为了方便处理，它被放置在两个超薄塑料片中间。这个微型舱将会充满氘和氚混合液体，然后这些液体会被冷却到稍高于18绝对温标。接着192束激光束将分别从它顶部和底部射入，产生的X光会让这个舱的温度升至像太阳内部的温度一样高。由此产生的令人难以置信的高压，将会压缩舱内的燃料，迫使其内部的原子核熔合在一起，释放出巨大的能量脉冲。 金制黑体辐射空腔。它是一个围绕在聚变燃料舱周围的一个小金属圆柱体。

黑体辐射空腔被安装在国家点火装置的低温靶定位装置里的靶子机构的空腔里 轰击后剩下的靶子机构残余物。国家点火装置的192束激光系统把高达1兆焦耳的激光能射进它的第一个低温分层舱内（cryogenically layered capsule）。1兆焦耳相当于1万盏100瓦的电灯泡在1秒内消耗的能量。

国家点火装置的作用将并不仅仅用于基础科学。现在，该机器10%的时间用于基础科学。2013年后，大约20%的时间用于基础科学。到2013年，大约40%的时间用于更多的点火研究，而另外40%的时间将用于为政府搜集关于聚变物理学方面的数据。换句话说，它将被用来模拟氢弹爆炸的情景，这样就不需要真正引爆氢弹。

作用 加州州长施瓦辛格在落成典礼上发表讲话说，这一激光系统的建成是加州和美国的伟大成就，它将有可能使美国的能源结构发生革命性变化，因为它将教会人们驾驭类似太阳的能量，使其转变成驾驶汽车和家庭生活所需要的能源。

加州州长阿诺德·施瓦辛格参观了体育场大小的美国点火装置。美国点火装置负责人爱德华·摩西博士（左）和劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任乔治·米勒博士（右）陪同参观。

密歇根大学物理学家保罗-德瑞克正利用国家点火装置研究超新星爆炸的物理学问题。德瑞克表示，如果这一装置真的能够实现聚变点火的话，那么科学成果将是极其巨大的。 “我认为，完成这次点火，几乎是一项不可估量的科学成就。我一生都将投入到这一伟大的科学装置上。我们仍然在证明我们能够实现我们所希望的实验，也能够拓宽更广阔的科学领域。我可以毫不犹豫地说，国家点火装置将能够取得一些极其可怕的科学成果，如模拟木星怪异的磁芯、恒星的内核以及宇宙中其他炽热、高密度环境。 ”