自2022 年12 月首次實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變能量增益以來，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）通過不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，迄今已成功復(fù)現(xiàn)3次能量增益結(jié)果，展現(xiàn)出慣性約束聚變廣闊而光明的研究前景，顯著提升了美國(guó)在禁止核試驗(yàn)背景下的核武器研究能力。

1 2023年三次復(fù)現(xiàn)能量增益結(jié)果

2022 年12 月，國(guó)家點(diǎn)火裝置在實(shí)驗(yàn)中輸入2.05 兆焦耳激光能量，產(chǎn)生3.15 兆焦耳聚變能量，首次達(dá)成“慣性約束聚變能量增益”這一里程碑。此后，國(guó)家點(diǎn)火裝置又開展了至少5 次“點(diǎn)火”嘗試，其中2023年7月30日、10月8日、10月30日的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠明確證明實(shí)現(xiàn)了能量增益，另有6月和9月開展的2次實(shí)驗(yàn)“似乎實(shí)現(xiàn)了能量增益”，但由于測(cè)量不確定性較高，無法采信。

能量增益效果最顯著的是7 月30 日開展的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中輸入2.05 兆焦耳激光能量，產(chǎn)生3.88兆焦耳聚變能，增益系數(shù)約1.9，超過了2022年12月的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

10月開展的兩次實(shí)驗(yàn)分別用于驗(yàn)證優(yōu)化激光入射方式以及提高激光能量對(duì)能量增益的影響。10月8日，研究人員在改進(jìn)激光瞄準(zhǔn)靶丸對(duì)稱性的基礎(chǔ)上，將入射激光能量由2.05 兆焦耳降低至1.9 兆焦耳，同樣實(shí)現(xiàn)能量增益，產(chǎn)生2.4兆焦耳聚變能，遠(yuǎn)超2021 年相似實(shí)驗(yàn)條件下獲得的結(jié)果（2021年8月，國(guó)家點(diǎn)火裝置輸入1.9兆焦耳激光能量，產(chǎn)生1.3 兆焦耳聚變能，刷新當(dāng)時(shí)產(chǎn)能紀(jì)錄），證明了優(yōu)化入射激光對(duì)稱性對(duì)提高能量增益的影響。10 月30 日，研究人員將入射激光能量提高至2.2 兆焦耳，獲得3.4 兆焦耳聚變能，增益系數(shù)約1.5。后續(xù)結(jié)果分析表明，靶丸未充分實(shí)現(xiàn)對(duì)稱性內(nèi)爆，意味著2.2兆焦耳入射激光能量有可能獲得更大的聚變產(chǎn)能，研究人員計(jì)劃于2024 年2 月開展第二次2.2 兆焦耳激光打靶實(shí)驗(yàn)。

2 激光能量提高及精確性控制是實(shí)現(xiàn)能量增益的關(guān)鍵

根據(jù)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室披露的數(shù)據(jù)，國(guó)家點(diǎn)火裝置成功實(shí)現(xiàn)能量增益主要得益于三項(xiàng)措施。

一是提高入射激光能量。理論計(jì)算表明，隨著實(shí)驗(yàn)中輸入能量的增加，聚變能輸出往往呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。國(guó)家點(diǎn)火裝置激光器的設(shè)計(jì)輸出為1.8 兆焦耳，于2021 年增加至1.9 兆焦耳；2022 年，該裝置通過增加一種可以保護(hù)激光組件免受靶室附近飛行碎片傷害的新光學(xué)元件，將激光能量提高至2.05兆焦耳；2023年，通過在三分之二的激光束線上添加熔融硅碎片屏蔽，以及在32 個(gè)下半球激光束線上安裝金屬屏蔽，大幅降低碎片對(duì)光學(xué)部件的損傷，將激光能量提高至2.2 兆焦耳；未來，技術(shù)人員計(jì)劃通過設(shè)施升級(jí)，將激光能量提高至3 兆焦耳，從而獲得近30兆焦耳的聚變產(chǎn)能。

圖1 國(guó)家點(diǎn)火裝置迄今能量增益實(shí)驗(yàn)結(jié)果

二是提高入射激光對(duì)稱性。技術(shù)人員2023年完成了高保真脈沖整形（HiFiPS）系統(tǒng)的部署工作。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的脈沖整形，進(jìn)而在內(nèi)爆中實(shí)現(xiàn)更好的功率平衡和對(duì)稱性控制。此外，通過翻新用于精確測(cè)量激光脈沖能量的光纖設(shè)施，提高光纖在中子暴露環(huán)境下的穩(wěn)定性，使傳輸信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)10到100倍，實(shí)現(xiàn)激光性能的精準(zhǔn)控制。

三是增加靶丸包覆層厚度。此舉是為了通過增加目標(biāo)膠囊的厚度來利用額外的激光能量，同時(shí)減小等離子體流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響。

為促進(jìn)國(guó)家點(diǎn)火裝置發(fā)展，2023 年12 月7日，美國(guó)能源部宣布將在未來四年為“慣性約束聚變能科學(xué)技術(shù)加速研究”（IFE-STAR）計(jì)劃提供4200 萬(wàn)美元資助，該計(jì)劃的目標(biāo)之一即為國(guó)家點(diǎn)火裝置開發(fā)更高效的激光系統(tǒng)。研究人員正在通過提高激光能量、改善激光脈沖以產(chǎn)生更對(duì)稱的內(nèi)爆等途徑，圍繞上述關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)，以期獲得更高的能量增益系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε噬兄诿绹?guó)提高核武器研究水平

國(guó)家點(diǎn)火裝置建造初衷是為了保持美在禁止核試驗(yàn)背景下的核武器研究能力。該裝置可以模擬類似核爆時(shí)的極端實(shí)驗(yàn)條件（溫度超過1億攝氏度，壓力超過大氣壓1000 億倍），幫助研究人員優(yōu)化其核武器爆炸計(jì)算機(jī)模型，減少不確定性，從而在不直接引爆的情況下驗(yàn)證美國(guó)庫(kù)存核武器的可靠性；加深研究人員對(duì)核聚變反應(yīng)啟動(dòng)及維持所需精確條件的理解；開展核武器電子元件在作戰(zhàn)時(shí)強(qiáng)輻射條件下工作測(cè)試等。2015—2022 年，國(guó)家點(diǎn)火裝置平均每年開展400 次打靶實(shí)驗(yàn)，其中用于支持國(guó)家核軍工管理局“核武器庫(kù)存管理計(jì)劃”開展的高能密度實(shí)驗(yàn)與國(guó)家安全應(yīng)用實(shí)驗(yàn)次數(shù)超過70%。國(guó)家點(diǎn)火裝置已被用于巡航導(dǎo)彈W80-4 彈頭的老化材料替代方案評(píng)估實(shí)驗(yàn)以及新材料的耐輻射實(shí)驗(yàn)等。

雖然美國(guó)能源部聲稱，國(guó)家點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)能量增益對(duì)于“核聚變商業(yè)應(yīng)用”研究具有積極意義，但考慮到慣性約束核聚變的反應(yīng)頻次低（國(guó)家點(diǎn)火裝置通常一天僅開展一次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)）、電能到聚變能轉(zhuǎn)化效率低（小于1%）等問題，利用慣性約束聚變開展聚變發(fā)電應(yīng)用示范仍需解決靶丸制備、燃料放置及對(duì)準(zhǔn)、脈沖再儲(chǔ)能、能量提取等諸多工程技術(shù)難題。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家點(diǎn)火裝置于2009 年投運(yùn)，大部分設(shè)備及部件已運(yùn)行超20 年，該裝置的理論設(shè)計(jì)壽期將持續(xù)至2040 年。為了確保該裝置在設(shè)計(jì)壽期內(nèi)能夠繼續(xù)為庫(kù)存管理計(jì)劃提供服務(wù)，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2023年啟動(dòng)一項(xiàng)為期五年的維持計(jì)劃，包括緊急翻新、資本重組和改進(jìn)。2023年是維持計(jì)劃的第一年，重點(diǎn)是開展采購(gòu)前期工作，增加執(zhí)行項(xiàng)目所需的必要額外人員等，2024年的計(jì)劃包括大型科研項(xiàng)目的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)2027年完成維持計(jì)劃。

國(guó)家點(diǎn)火裝置作為支撐美國(guó)“核武器庫(kù)存管理計(jì)劃”的重要實(shí)驗(yàn)裝置，在短時(shí)間內(nèi)多次成功復(fù)現(xiàn)凈能量增益實(shí)驗(yàn)結(jié)果，標(biāo)志著該裝置在提供實(shí)驗(yàn)室受控狀態(tài)下的模擬核爆條件的重大提升。該裝置計(jì)劃通過擴(kuò)建激光系統(tǒng)、優(yōu)化光學(xué)元件等方式，進(jìn)一步提升能量增益效果，有望為美開展核武器相關(guān)研究提供更優(yōu)異的實(shí)驗(yàn)條件。