激光相遇的地方:技术人员在国家点火设施的目标室内工作。图片来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室
当世界上最强大的激光击中目标时，它出奇地安静。如果你离得足够近，知道系统启动的确切时刻，那么你很可能正站在一个黑暗的控制室里，看着无声的倒计时。发生了某些事情的唯一提示是计时器到达零并立即开始重新计数。但隐藏在人们视线之外的是一个比例和精度惊人的实验:192束激光穿过横跨足球场长度的大厅，不断增强强度，最终在几毫米之内汇聚在一起，引发一个胡椒粒大小的胶囊内爆。
在这里劳伦斯利弗莫尔国家实验室这是美国国家安全实验室，位于旧金山以东约一小时车程的葡萄园和起伏的草山之间国家点火装置(NIF)已经创造了使氢原子聚变所需的高压和温度。但NIF正试图实现一个更具挑战性的目标，这是无数研究人员数十年来一直在追求的目标。NIF的目标不仅仅是核聚变，而是核聚变的链式反应，一种自我维持的“燃烧”，能够产生比最初启动过程所需的更多的能量。
到目前为止，这项被称为点火的壮举只在核武器内部以一种相对粗糙的方式完成，即原子分裂释放的能量被用来触发聚变爆炸。NIF的设计目的是在较小的范围内点火。支持者说，这样做有助于避免未来进行核武器试验，并可能使人类更接近长期以来的梦想，即拥有几乎无限的、清洁的商业核聚变能源。
但并不是所有的事情都一帆风顺:NIF过去的一年充满了胜利和失败。今年7月，在经历了多年的施工延误和令人生畏的技术障碍之后，距离该设施建成仅三年多一点正式的奉献NIF的工程师们最终使激光器达到了设计规格．在几微秒内，他们展示了他们可以在一次激光射击中提供超过1.8兆焦耳的能量，大约500太瓦的功率，大约是美国在任何给定时刻平均消耗的1000倍。
在构思NIF时，人们认为它有足够的动力和能量来实现点火。但这并没有发生。9月30日是由NIF的资助机构，美国能源部确定的点火截止日期国家核安全局(美国核安全管理局)，来来去去。现在，人们的预期已大幅降低。在一个报告NNSA在12月提交给美国国会的报告中表示，“现在评估国家点火设施是否能够实现点火还为时过早。”
NIF的批评者抓住这个不确定的结论作为进一步的证据，证明该设施的建设成本是最初估计的三倍，达到35亿美元，根本不应该建造。他们声称NIF不太可能实现点火，即使它成功了，这项壮举也不太可能对社会有多大好处。NIF的官员回答说，该设施正在为全人类的利益进行尖端科学研究，它已经为我们理解核武器的基本物理学做出了重大贡献。他们说，当NIF实现点火时，这将标志着60年来利用核聚变用于和平目的的探索的一个转折点。但随着延迟的累积，理清究竟该相信什么可能几乎和探索本身一样困难。
利用过程多年来，为恒星提供动力一直是许多不同类型项目的目的。但两种资金最充足的方法是磁约束和惯性约束。磁性方法的主要例子是ITER项目这项耗资200亿美元的实验目前正在法国南部进行，它将利用磁场限制和加热等离子体。另一方面，NIF的惯性方法通过爆破目标的外层来容纳其等离子体，以迫使剩余物质向内，在这个过程中创造聚变所需的温度和压力。
ITER目前计划于2020年投入使用，其目的明确且非常具体:将核聚变作为一种能源——一种高产且基本无污染的化石燃料替代品。NIF已经也接受了能源目标但在一个更大、更不具体的背景下，与国防相关的研究非常多。
8月，在利弗莫尔的一次午餐采访中，NIF主任爱德华·摩西(Edward Moses)概述了基于NIF核聚变方法的发电厂的愿景。NIF目前可以每12小时左右向一个精确放置的静止目标发射一束激光。如果发电厂能设计得更快——“砰，砰，砰”，摩西指着一块三明治说——那么它就能以每秒15个燃料球的速度击中一束燃料球。
像这样的方案从来没有完成过，即使是在实验的基础上。然而，摩西坚持认为，这是非常可行的。所有需要做的就是让NIF通过初始点火演示来照亮道路。摩西说:“一旦成功，人们将以不同的方式思考未来。”
如果NIF真的在商业核聚变发电方面开辟了一条道路，那么它将更加值得关注，因为NIF的主要目的不是发电，而是国防。建造该设施的想法出现在20世纪90年代初，几乎与美国准备停止地下核武器试验的时间一致。最初由老布什总统于1992年签署的暂停试验限制了该国评估武器性能的能力。这给美国留下了一个储备大约14000枚核弹头．一些三分之二这些武器中有一部分已退役，但其他武器必须保持和定期评估。
向内看:从这个窗口可以看到国家点火装置目标室的中心。这里可见的是最终光学损伤检测系统。图片来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室
为了做到这一点，美国能源部设计了一个名为基于科学的库存管理，以便更好地理解核武器的物理原理，并评估老化对核武库的影响。NIF是该计划的旗舰设施，其中包括材料和聚变实验另外两个国家实验室以及强大的计算能力。今年，利弗莫尔的新16千万亿次浮点运算红杉的超级计算机，它的标题是世界上最快的对于一个几个月2012年，它将被用于机密武器模拟工作。这一研究项目的成果旨在支持NNSA的“延长寿命”工作，该工作的重点是检查和升级老化的核武器，以确保它们仍然安全，并且可以在未来30年左右可靠地引爆。
他说，在没有核试验的情况下，像NIF这样的实验非常重要马文·亚当斯他是德克萨斯农工大学的核工程教授，也是新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室武器科学审查委员会主席。亚当斯说，武器材料会退化，而且过去四五十年来出台的安全和环境法规，使得重新制造武器部件的能力变得异常困难，完全按照冷战时期的水平来制造。
瞄准:这个长位置臂用于将目标置于目标室的中心。它也可以作为激光光束对准的参考。图片来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室
更重要的是，在性能方面仍有许多悬而未决的问题。在多年的地下测试中，工程师们在测试结果中看到了异常和惊喜;亚当斯说，在某些情况下，本该经历核聚变关键阶段的设备并没有发生聚变，而其他设备也没有像模拟预测的那样释放那么多能量。亚当斯说:“我们知道我们的代码并不完美。国家核能研究所的官员说，根据该设施的实验结果改进这些代码，可以帮助储备管理人员了解潜在变化的影响。
但这些结果究竟如何有助于维持库存呢?毫不奇怪，与NIF关系密切的科学家和官员通常拒绝透露太多细节，理由是出于国家安全考虑，需要对信息保密。亚当斯说:“一旦我们得到了具体的信息，我们就得到了分类。”
点火有两种方式现代核武器．弹头的第一级，也就是一级，由一个由钚或铀制成的空心球体组成，球体内充满由氢、氘和氚两种同位素构成的气体。当放置在球体周围的烈性炸药被触发时，爆炸会压缩并压紧外壳，引发原子分裂的裂变链式反应。这一过程将中子和热量送入压实壳的充满气体的中心，引发气体的聚变。这个被称为助推的聚变步骤释放出中子，中子从外壳中流出，分裂更多的原子，并以x射线的形式释放出足够的热量，从而引爆弹头的“次级”。这一阶段包括一个由轻质原子(通常是锂和氢)固体混合而成的球，然后这些原子聚变产生弹头爆炸时释放的大部分能量。
NIF官员表示，该设施将在两个关键方面帮助研究和维护老化武器:首先，通过改进点火早期阶段的模拟和自扩散聚变燃烧的物理过程;其次，通过对目前存在于武器中的材料(如钚)以及可用于替换老化部件的材料进行“不点火”测试。这些测试用于检查这些材料在x射线传输、抗变形以及在只有NIF才能实现的压力和温度下的表现。
中空空腔:NIF的点火实验使用金属外壳或空腔，就像这样来容纳要熔化的材料。这个箱子在这个过程中被毁了。图片来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室
但NIF与储备管理的关系远不是没有争议的。一些物理学家说，弹头性能与微小、精密目标的聚变之间的联系充其量是微弱的。物理学家说，核武器的能量规模与NIF所能产生的大不相同，引发助推阶段的物理过程也大不相同，无法建立有用的联系理查德·加尔文他是政府咨询小组JASON的成员，也是第一颗氢弹的设计者之一。“[NIF]与初选毫无关系。它在模仿中学方面做得不好，”Garwin在一次采访中说。“它在与核武器无关的地区验证密码。”
罗伯特·赫希他是一名能源顾问，曾在20世纪70年代激光聚变研究开始升温时在原子能委员会指导聚变能源研究。他对该设施印象深刻，但也有保留意见。他说:“[NIF]是一个伟大的仪器，他们做了大量的工作来让它运行。”“这样的成本效益值得吗?”这是另一个问题。”他对NIF的防卫理由有一些怀疑。赫希断言:“在我看来，这些答案似乎有点空洞。“目前还不清楚这些论点是否经得起认真审查。”
NIF的捍卫者指出，该设施已经为储备管理做出了重大贡献(下文将详细介绍)。他们补充说，该设施还发挥着另一个至关重要的作用，即吸引人才加入武器领域。赫希说，如果没有有趣的实验，维持库存将是一项乏味的、主要是“清洁”的工作。但是，该设施能否在一些最有趣的物理问题上取得进展——以及能否让人类更接近核聚变能源——都将取决于NIF能否名副其实。
点火的路径从一间装有三根掺镱小光纤的房间开始。这些紧凑的光纤激光器产生的脉冲最终将轰击目标胶囊，但只有在它们通过一系列巨大的光学系统时，才会在连续阶段被放大4000万亿倍。主放大器是一系列3072个米长的独立玻璃板，存放在两个长长的激光大厅中。这些平板上掺杂了钕原子，在光束到达之前，闪光灯可以激发这些原子，从而触发更多光子的发射。
光学器件必须小心保护，以免沾上灰尘。在NIF的光照水平下，即使是玻璃中微小的原子缺陷也能吸收足够的能量融化和断裂周围的材料。这些断裂会以意想不到的方式聚焦光线，在光束中产生强烈的热点，当光线沿着光学线传播时，这些热点会造成更大的伤害。
为了最大限度地减少这种破坏，放大器和其他激光部分只能通过一个便携式洁净室或一个可以形成严密密封的专门盒子来访问。该实验室还围绕减轻损害建立了一个小型产业。在激光射击后，工程师可以使用目标舱内的望远镜通过每条光学线来查看损坏情况;每个缺陷都有一个编号。然后，他们使用蓝色led对基于液晶的屏幕进行编程，光束在放大前通过液晶屏幕。这些屏幕可以被做成任何透明和不透明区域的任意图案，在光束中产生黑点，以绕过受损区域。当缺陷堆积得太多时，工程师们就会移除受损的部件，并将其送到另一座建筑中，在那里，表面被重新处理，并用二氧化碳激光蚀刻损坏，留下光学中性的锥形凹坑。如今，每周有多达40个光学元件被拉出并送去翻新，其中大部分是目标室聚焦透镜和碎片防护罩(目标室和光学线之间的保护屏)。
NIF用这些激光器进行了几种不同类型的实验。其中一些专注于压缩或照射与核储备有关的特定目标，或用于基础材料科学的钻石等纯材料。另一些则是为阐明与点火有关的特定物理而量身定制的。然而，当该设施进行点火射击时，它使用的是一种非常特殊的颗粒:一个2毫米宽的空心球体(到目前为止，大多数都是塑料)，里面充满了由等量氘和氚组成的气体。这两种重中子的氢同位素最容易聚变。该颗粒被冷却到绝对零度以上18度，这使得最靠近球体外部的氢形成了大约100微米的冰层，其密度约为中心气体燃料的10倍。
核武器中没有激光，因此NIF正在使用一种称为间接驱动的替代方法来点火。NIF的激光并没有直接汇聚到燃料球上，而是通过一个空心容器两端的两个孔照射，这个容器被称为空腔。激光加热这个空腔的壁，产生x射线，然后照射悬浮在两个由超薄聚合物制成的像蹦床一样的皮肤之间的小球。
当x射线照射到小球时，它们会炸开燃料外面的塑料涂层，由此产生的内爆将氘和氚推向内部，形成一个直径约为原来直径的1/35，体积约为原来体积的1/ 40000的燃料球。如果反应发生得足够快，燃料中心就会形成一个高温高压点。这个点可以达到1亿开尔文，是太阳中心温度的6倍多。氘和氚原子聚变产生中子和氦原子流。当这些氦原子向外缩放时，它们与已经被压缩到铅密度100倍左右的冷冻燃料发生碰撞。如果条件合适，这些粒子碰撞产生的热量将足以融合更多的原子并产生点火，发出比一开始进入空腔的能量更多的能量。
完全清洁:像这样的粉红色玻璃板被用来放大激光脉冲。这里显示的结构允许最小的人手处理。图片来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室
然而，到目前为止，大自然母亲没有配合。大约在NIF开始实验的四年前，NIF的科学家和NNSA的项目经理预计点火可能在短短几年内实现。美国核安全管理局惯性约束聚变办公室主任克里斯托弗•迪尼说:“2005年，由于预算问题，人们曾有过一些担忧。”所以核安全管理局想出了一个计划，叫做全国点火运动在国会的要求下，奥巴马提出了该设施的一系列里程碑。美国核安全管理局的计划要求在今年9月活动结束前点火。但这个时间表是基于早期激光和目标的模拟，现在看来过于乐观了(迪尼称之为“以成功为导向”)。他说，问题在于“这些编码似乎不能完全重现我们在实验中看到的东西。”
在这一点上，两者之间的差异基本上是一个谜。当然，模拟必须考虑到许多复杂的物理现象。点火射击不需要太长时间就会打偏。如果氘氚冰层内爆太快或太不均匀，就会破裂，导致高温物质与较冷的燃料混合，降低反应压力，抑制聚变。x射线中最微小的不对称会导致燃料不像球体而更像煎饼，这就减少了燃料的动能最终转化为压缩的程度。
“这不是大自然想要轻易给你的东西，”约翰·林德尔说。12月的一个下午晚些时候，我会见了NIF的首席科学家，这是国家点火运动结束几个月后的事情。他解释说，关键的困难之一是激光与气体的相互作用，以及从空腔内部脱落的物质。“问题是，这不是真空——这里有很多东西，”他说，在我的笔记本上勾勒出圆筒。这些激光“彼此穿过，在高温、高密度气体存在的情况下彼此穿过。”气体密度的波动会导致光束衍射或将能量从一个光束传递到另一个光束。NIF团队目前的理论是，部分由于所有这些相互作用，激光没有准确地击中它们的标记，从而在x射线中产生了不对称。
林德尔说，研究小组已经从相当粗糙的x光图像中得到了“诱人的暗示”，即内爆可能不是对称的。今年10月，他们在目标舱内安装了一台x射线摄像机，能够在压缩过程中拍摄二维快照，其中包括在燃料处于峰值压缩的0.1纳秒内拍摄的一对快照。压缩燃料的外缘看起来不像一个完美的圆圈，而是更像一个波纹状的——有点像四叶草。林德尔说，通过更新代码和进一步微调光束瞄准来修复这种粗糙的不对称，可能会让团队更接近点火。但他并没有说这就足够了。
像其他核聚变研究人员一样，他们以几十年为单位思考，林德尔对像点火这样的“重大挑战”可以在提前几年规定的严格期限内完成的建议感到愤怒。“我认为进展是显著的，”他宣称，并引用了该团队在制造目标和提高激光功率方面取得的进展。
我问他一个经常被引用作为NIF进展缓慢的证据的参数实验点火阈值因子(ITFX)，这个数字或多或少充当了压力的替身。ITFX为1被认为与收支平衡所需的能量相匹配，因为输入的能量与输出的能量相同。在两年前开始时，NIF的ITFX为0.001，在过去一年左右的时间里，NIF的ITFX一直停滞在0.1。但林德尔说，这个简单的数字隐藏了一些显著的进展:研究小组已经找到了在更缓慢地向内驱动燃料的同时达到相同压力的方法。这一成就可能有助于他们通过减少冰层破裂的机会来点火。林德尔说:“我们已经非常接近点火了。”“在这一点上，你不能换马。”
林德尔和他的同事会有更多时间来证明点火是可行的。在国家点火运动之后，该计划设定了9月30日的点火截止日期，NNSA希望将专门用于点火的子弹数量从80%减少到40%，部分原因是为了帮助清理积压的库存管理子弹。核安全管理局计划给NIF三年的时间进行点火，然后再对该设施的前景进行评估。
研究人员表示，有很多事情值得兴奋。该设施才刚刚开始加大基础研究的力度，科学家们希望这些研究可以帮助阐明与恒星物理和行星内部等相关的复杂问题。
许多人说NIF已经取得了很大的成就。利弗莫尔武器与复杂集成理事会的主要副主任查尔斯·弗登说，该设施帮助解决了一个关于能量平衡的悬而未决的问题，即从主要的、以裂变为主的核弹头组件中携带x射线到以聚变为主的次要组件的方式。弗登说，半个世纪以来，武器设计师不得不引入“蒙混因素”来解释预期性能与地下测试数据之间的差异。
“自50年代第一次核爆炸以来，蒙混因素就已经存在了，当时我还是个孩子，从内华达州的爆炸中看到洛杉矶的天空变亮了，”他说罗伯特•拜尔他是斯坦福大学(Stanford University)的物理学家，最近对该设施进行了一次评估。“太神奇了，”他说。“NIF解决了一个对我们的武器系统理解至关重要的问题。”
但说到点火，情况就有点模糊了。那些知情人士同时强调了NIF在储备管理方面的重要性，并淡化了NIF未能实现能源过剩点火的后果。许多人说，美国的管理工作已经相当健康，因为自那以来进行了数百次历史性的核试验，而且设计几乎没有改变。美国核安全管理局的迪尼说:“在实验室里没有点火装置并不是一个问题，但它确实减少了未来的一些选择。”“这将对我们未来如何应对(核武器)变化施加一些限制。”
德克萨斯A&M大学的亚当斯敦促公众不要过多地解读NIF模拟的缺点。他解释说:“如果你看看NIF在试图达到点火的过程中发生了什么，这与之前的实验相比是巨大的飞跃。”“我们以前从来没有接触过这么多激光能量，从来没有尝试过这样的事情。”
亚当斯补充说:“我不会告诉你，如果我们没有NIF，储备就会崩溃，或者如果我们没有点火，储备就会崩溃，因为我不相信它会崩溃。”我认为，我们将保持一个安全、可靠和有效的储备，但我们的选择将变得更加有限。”
NIF对核聚变功率的影响也难以评估。利弗莫尔大力宣传其基于NIF的发电厂方案，称为激光惯性聚变能量(生活)。但批评人士指出，即使NIF真的达到点火的程度，也可能只是勉强达到。这意味着商业发电厂的议程可能不会有太大进展。分析表明，要实现实际应用，核聚变发电厂需要产生的能量是该设施运行所需能量的50倍。燃料球必须大量生产，每个价格约为25美分;迪尼估计，他们目前的成本是每个颗粒超过1万美元。
还有材料问题需要解决:核聚变产生的中子可以降解钢铁等材料，并使其具有放射性。LIFE的方法是使用每隔几年就可以更换的传统钢材;对于商业工厂来说，这可能不是最好的方法。
但这一切至少还需要很多年才能实现。如果NIF无法点火，这种特殊的方法可能会继续存在。斯坦福大学的拜尔说，当谈到核聚变能源时，“大多数人都在空中挥舞双手，说它永远不会发生。”不过，他说，国防研究可以产生伟大而意想不到的东西:他指出，如果没有核武器，我们可能永远不会有常规的核电站。他本可以再加上核医学和高速计算。虽然现在看起来很黑暗，但据我们所知，通往更光明未来的道路可能只是由192个激光铺就的。
本文原题为《明星力量》(Star Power)。
