在未能成功展示未来聚变发电厂的原理之后,世界最强大的激光设施将改变方向,并强调其核武器研究。
在过去的六年里,美国国家点火装置 (NIF) 的科学家和工程师们一直在全力以赴地将 192 束激光束聚焦在一个镀金的“黑腔”胶囊上,该胶囊只有几毫米长,里面装有氢同位素颗粒。当 500 太瓦的激光功率照射到胶囊时,它会产生 X 射线,这些 X 射线会轰击颗粒,导致内部的氘和氚原子发生聚变。聚变将少量质量转化为能量爆发(参见“NIF 的聚变策略”)。
国家点火计划 (NIC) 的目标体现在其名称中:“点火”,即聚变反应产生的能量与激光提供的能量一样多。NIF 官员表示,成功可以为开发一种每分钟引爆近 1000 个颗粒的发电厂铺平道路(参见 《自然》 483, 133–134; 2012)。但意外的技术问题导致 NIF 在 9 月份该计划最终结束时,远远未能实现其目标。
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现在,联邦官员和美国国会正准备为位于加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的价值 35 亿美元的设施设定新的方向。由政府、国会和管理该实验室的加州大学委托编写的一系列报告都将于本月晚些时候发布。预计它们将概述计划,将点火研究的时间从 80% 削减到 50%,并让负责维护美国核武库的国家核安全管理局 (NNSA) 在确定 NIF 的优先事项方面发挥更核心的作用。NNSA 计划强调模拟核武器内部条件的实验,生成数据以验证用于检查国家核弹头是否仍然可用的计算机代码——这是一项至关重要的工作,因为自 1992 年开始自愿暂停地下试验。
NNSA 国防项目副主管唐纳德·库克表示,没有人放弃点火。但一个新的产生净能量的计划将采取更慢、更有条理的方法。“我们现在将深入研究是什么问题阻止了点火,并逐步解决这些问题,”他说。“但我们认为这将需要相当多的工作。”
加州斯坦福大学的物理学家罗伯特·拜尔表示,在点火方面已经取得了重大进展,他正在领导加州大学对 NIF 的审查。“激光本身非常出色,”他说。一次发射可以提供 1.85 兆焦耳的能量,大致相当于实验室最初承诺的能量。他说,用于研究颗粒的仪器也表现良好。
然而,根据从内爆颗粒获得的数据,研究人员认为他们离达到点火所需的条件还很远。一个问题似乎是太多的激光光从胶囊中散射出去。另一个问题是颗粒被不对称地挤压,这降低了其中心的压力。不对称性还导致同位素混合不均匀,降低了颗粒中的温度。“大自然在反击:这是我对正在发生的事情的简短版本,”拜尔说。
不仅仅是大自然在反击——国会的 NIF 资助者也想要答案。“我们很失望,”一位国会工作人员说,他只在匿名的情况下对《自然》说。批评人士说,该实验室热情地宣传激光聚变可以产生电力的想法,导致国会许多人认为他们正在资助一个能源项目,而事实上,激光聚变离产生电力还有几十年的时间。“该实验室过分强调和夸大了 NIF 的能源方面,从而牺牲了它在库存管理和基础科学方面正在进行的非常重要和成功的工作,”一位熟悉 NIF 项目的资深科学家说。
NIF 现任主任埃德·摩西对点火被过度强调的指责感到不满。“我不认为它被过分强调或被低估了。它就是这样。” 摩西坚持认为,自从 NIF 开始使用氢颗粒靶以来,在过去的 16 个月中取得了“显著进展”。“目标是进行点火条件的初步探索,看看我们处于什么位置,而我们已经做到了。”
但库克表示,明年用于点火实验的时间可能会减少。利弗莫尔仍将控制该项目的日常运作,但 NNSA 位于华盛顿特区的总部将在该设施扩大其库存管理工作时设定优先事项。NIF 已经能够解决有关能量如何从核武器的裂变阶段传递到其更强大的聚变阶段的关键问题。未来的研究将评估武器的“助推阶段”——在此期间,第一阶段中心的一小部分氘和氚被用来增强爆炸的初始裂变阶段。
纽约州罗切斯特大学的激光聚变研究员里卡多·贝蒂对优先事项的转变感到担忧。“他们必须确保点火工作不会变得次临界,”他警告说。
保持点火计划的势头可能至关重要,因为国会中的许多人仍然相信实验室正在推动的能源研究任务。立法者已要求在本月底前向他们提交一份关于实现点火的新计划。这位国会工作人员说,政界人士准备接受这可能需要比最初声明的更长的时间,但他们需要看到证据表明它正在按计划进行:“这不能仅仅是无限期的:‘给我们钱,我们保证我们会做好科学研究。’”如果 NIF 在几年内未能达到其点火目标呢?“那么我们将不得不评估是否值得继续为该设施提供资金。”