國家點火裝置

國家點火裝置是美國科學家研製的、世界最大的雷射核聚變裝置。據悉，這個被稱為“人造太陽”的裝置能產生類似恆星核心溫度和壓力，使美國在無需核試的情況下保持核威懾力。不僅如此，該裝置還能幫助研製不受《全面禁止核試驗條約》限制的新型氫彈。國家點火裝置（NIF），其有能力產生類似恆星核心的熱與力。儘管設計初衷是用來模擬核爆，屬於美國“無爆炸核試驗”不可或缺的部分，但該裝置自落成起就讓世人廣泛注意到它更具魅力的一點——實現核能發電。

基本介紹

• 中文名：國家點火裝置
• 外文名：National Ignition Facility
• 研製國家：美國
• 建設時間：1997年
• 完成時間：2009年5月29日
• 實驗開始時間：2010年
• 類別：科技、能源、軍事
• 耗資：35億美元
• 領域：核能
• 學科：核工程

裝置介紹

國家點火裝置（NIF）位於加州，投資約合24億英鎊，占地約一個足球場大小，1997年工程正式開始建該裝置主要科學家與加州州長施瓦辛格一起設。“國家點火裝置”產生的雷射能量將是羅切斯特大學雷射器的60倍，成為世界最大雷射器。科學家希望該雷射器能模仿太陽中心的熱和壓力，用以創造核聚變反應。

國家點火裝置建設和試運轉完成後，2010年將開始進行正式點火實驗。調試工作包括進行一系列最佳化和測試實驗，以獲取點火實驗所必需的關鍵雷射參數和點火靶參數。這些調試工作將在第一次點火打靶前完成。點火實驗對靶工作性能的要求主要體現在：力能學性能、對稱性，激波時序以及靶丸流體動力學。作為國家點火攻關項目的一部分，有關上述關鍵環節調試工作的詳細計畫和理論模擬工作目前正在進行。調試和診斷方法的研究正在現有的若干裝置上進行。其中包括美國羅切斯特大學雷射能學實驗室的OMEGA雷射裝置，桑迪亞國家實驗室的Z裝置和洛斯阿拉莫斯國家實驗室Trident雷射裝置。正在開展的制靶工作由美國通用原子公司（General Atomics），勞倫斯里弗莫爾國家實驗室和洛斯·阿拉莫斯實驗室負責。

落成典禮

國家點火裝置5月29日在美國加州北部舉行落成典禮。據報導，包括加州州長阿諾德·施瓦辛格、聯邦能源部長朱棣文及多位頂尖科學家出席了落成儀式。阿諾發表講話稱，這個雷射系統的落成，是加州和美國的偉大成就，它可能使美國的能源結構發生革命性變化，因它將教曉人們駕馭類似太陽能的能量，使其轉變成駕駛汽車和家庭生活所需的能源。

人造太陽吊裝建造工程

勞倫斯·利弗莫爾實驗室的新聞公報指出，這個雷射聚變裝置名為“國家點火裝置”（NIF），由美國能源部屬下的國家核安全管理局投資，1997年開始建造，共耗資約35億美元（約合239億元人民幣）。

據悉，NIF可以把200萬焦耳的能量，通過192條雷射束聚焦到一個2毫米大的冷凍氫氣球上，從而產生高達攝氏1億度的熱力，類似恆星和巨大行星的核心以及核爆炸時的溫度和壓力。在此基礎上，科學家可進行之前在地球上無法進行的許多試驗。

實驗過程

先將外部雷射增強10000倍，然後將一束雷射分離為48束雷射，再增強，進一步分離為192束雷射，其總能量增加到原來能量的3000萬億倍，再聚焦到直徑為3毫米的氘氚小丸上，產生1億度的高溫，壓力超過1000億個大氣壓，進而引發核聚變。每束雷射發射出持續大約十億分之三秒、蘊涵180萬焦耳能量的脈衝紫外光——這些能量的瞬時功率是美國所有電站產生的電能的瞬時功率的500倍還多。當這些脈衝撞擊到目標反應室上，它們將產生X光。這些X光會擊中於位於反應室中心裝滿重氫燃料的一個塑膠封殼上。X光將把燃料加熱到一億度，並施加足夠的壓力使重氫核生聚變反應。釋放的能量將是輸入能量的15倍還多。這是因為雷射在鏡面之間來回反射，並通過3000塊磷酸鹽玻璃，其中的鈦原子會使雷射束擴大。利弗莫爾有850名科學家和工程師。另外大約有100名物理學家在那裡設計實驗。NIF的問題是它的雷射每幾小時只能發射一次。Mercury雷射的方案已經在計畫中。它不一定比NIF更大，它的目標是每秒鐘發射10次脈衝。

任務

1．支持核武器庫存管理計畫；

2．進行聚變能研究；

3．進行基礎科學研究。

主要目標

1．對核爆模擬的建模和模擬程式進行驗證，並進行核武庫的評估和認證，確保在禁試條件下核武器的安全性和可靠性；

2．保持核武器科學家的技能，並吸引和培養核武器科學人才；

3．解決聚變能物理的問題，為未來的能源決策提供依據；

4．擴展基礎科學研究領域。國家點火裝置的建成將給美國的核武器研究和國防工業帶來深遠的影響。

威懾武器

雷射核聚變除了可生產取之不盡的清潔能源外，在軍事上還可用於發展新型核武，特別是研製新型氫彈，成為戰爭新“殺手”。早在20世紀50年代，氫彈便已研製成功並投入服役。但氫彈均是以核子彈作為點火裝置。核子彈爆炸會產生大量放射性物質，所以這類氫彈被稱為“不乾淨的氫彈”。

採用雷射作為點火源後，氫彈爆炸就不會產生放射性裂變物，所以，人們稱利用雷射核聚變方法製造的氫彈為“乾淨的氫彈”。傳統的氫彈屬於第2代核武，而“乾淨氫彈”則屬於第4代核武器，不受《全面禁止核試驗條約》的限制。由於不會產生剩餘核輻射，因此可作為“常規武器”使用。

三大任務

第一個任務是讓科學家用它模擬核爆炸，研究核武器的性能情況，這也是美國建設國家點火裝置的初衷，即作為美國核武器儲備管理計畫的一部分，保證美國在無需核試驗的情況下保持核威懾力。

第二個任務是使科學家進一步了解宇宙的秘密。科學家可使用國家點火裝置模擬超新星、黑洞邊界、恆星和巨大行星核心的環境，進行科學試驗。這些試驗大部分不會保密，將為科學界提供大量此前無法獲取的數據。

第三個任務是保證美國的能源安全。科學家希望從2010年開始藉助國家點火裝置來製造類似太陽內部的可控氫核聚變反應，最終用來生產可持續的清潔能源。公報說：“國家點火裝置所產生的能量遠大於啟動它所需要的能量，這是半個多世紀以來核聚變研究人員一直夢寐以求的‘能量增益’目標。如能取得成功，將是有歷史意義的科學突破。”

現狀對比

美法日爭研“人造太陽”

美國仍居世界領先地位，不僅擁有世界上最大的“諾瓦”雷射器、世界上功率最大的“X射線仿真器”，還有目前剛剛落成的NIF。

法國雷射核聚變研究以軍事化為主要目標，確保法國TN－75和TN－81核彈頭能處於良好狀態。早在1996年，法國原子能委員會便與美國合作進行一項龐大的“兆焦雷射計畫”，預計2010年前完成，經費預算達17億美元(約132億港元)。

日本1998年，日本成功研製核聚變反應堆上部螺旋線圈裝置和高達15米的複雜真空頭，標誌日本已突破建造大型核聚變實驗反應堆的技術難點。

反對聲音

NIF誕生加速核武發展

負責NIF的科學家指出，NIF所創造的核聚變能提供大量能源，而產生的輻射廢料則少於傳統核反應堆。但有科學家指這裝置無法解決能源問題，只是浪費納稅人金錢。

除此之外，勞倫斯利物摩爾國家實驗室當天舉行的慶典活動還遭到反對組織的抗議。一個名為“三谷社區反對放射性環境”的組織發表聲明表示，國家點火裝置耗費巨資，比原計畫延遲9年完工，人們忽略了這個雷射器的誕生是為了加速核武器的發展，並會訓練年輕物理學家研發新一代核武。

相關事件

NIF釋出能量超過燃料吸收能量

慣性約束核聚變是一種產生核聚變能量的方法，其操作原理是把燃料芯塊的溫度提高，從而引發內爆和燃料壓縮。實現受控核聚變條件比較苛刻，輸出能量大於輸入能量要求密度和約束時間的乘積達到一定要求。

而美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室擁有的世界最大雷射器——被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置（NIF），其有能力產生類似恆星核心的熱與力。儘管設計初衷是用來模擬核爆，屬於美國“無爆炸核試驗”不可或缺的部分，但該裝置自落成起就讓世人廣泛注意到它更具魅力的一點——實現核能發電。人類能於實驗室中獲得“取之不盡用之不竭”核聚變能源，這在以前是想都不敢想的事。

相比世界範圍其他類似計畫，NIF 主打的賣點在於其計畫成為“第一個突破平衡點”的設施。這個突破平衡點，即指產生的能量大於啟動它所需要的能量，也是所謂“能量增益”。這是半個多世紀以來核聚變工作者夢寐以求的目標。

此次通過國家點火裝置，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的奧馬爾·哈瑞肯教授及其科研團隊在慣性約束聚變中成功克服障礙，實現了“燃料增益”。在實驗中，他們使用 192 支雷射，替一顆燃料芯塊進行加熱和壓縮直至核聚變反應發生。研究結果表明，核聚變反應產生的能量，大約是以前紀錄的 10 倍。

雷射束首次達到2兆焦

據《自然》雜誌網站及美國物理學家組織網2012年3月22日（台北時間）訊息稱，世界最大雷射器、被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置（NIF）近日所發射出的雷射在經過最後一個聚焦透鏡後，達到了2.03兆焦，在一舉打破紀錄的同時，也成為世界上首個2兆焦能量的紫外雷射 ， 其 最 終 投 向 靶 室 的192束 激 光 束 射 出 了1.875兆 焦（MJ）的能量。儘管超過了其1.8兆焦的設計能力，但雷射系統並未有多餘的損壞。

2010年10月，NIF完成了其首次綜合點火實驗，雷射系統向低溫靶室發射了1兆焦雷射能量，這已經是當時世界第二大的羅切斯特大學雷射實驗能量的30倍之多。而近日，其再次打破了自己的紀錄。據NIF主任埃德·摩西介紹，2.03兆焦的雷射在經過光學損耗後，射於靶室正中心的為1.875兆焦，雷射部件的損壞小於模型測試，且雷射器在36小時之後又可以再次發射出創紀錄的一擊。不過，本次實驗只為證明性測試，目標靶室是空的，但究其意義仍不失為聚變能源探索之路上的一座里程碑。