在未能成功展示未來聚變發電廠的原理之後,世界最強大的雷射設施將改變方向,並強調其核武器研究。
在過去的六年裡,美國國家點火裝置 (NIF) 的科學家和工程師們一直在全力以赴地將 192 束雷射束聚焦在一個鍍金的“黑腔”膠囊上,該膠囊只有幾毫米長,裡面裝有氫同位素顆粒。當 500 太瓦的雷射功率照射到膠囊時,它會產生 X 射線,這些 X 射線會轟擊顆粒,導致內部的氘和氚原子發生聚變。聚變將少量質量轉化為能量爆發(參見“NIF 的聚變策略”)。
國家點火計劃 (NIC) 的目標體現在其名稱中:“點火”,即聚變反應產生的能量與雷射提供的能量一樣多。NIF 官員表示,成功可以為開發一種每分鐘引爆近 1000 個顆粒的發電廠鋪平道路(參見 《自然》 483, 133–134; 2012)。但意外的技術問題導致 NIF 在 9 月份該計劃最終結束時,遠遠未能實現其目標。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。 透過購買訂閱,您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
現在,聯邦官員和美國國會正準備為位於加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的價值 35 億美元的設施設定新的方向。由政府、國會和管理該實驗室的加州大學委託編寫的一系列報告都將於本月晚些時候釋出。預計它們將概述計劃,將點火研究的時間從 80% 削減到 50%,並讓負責維護美國核武庫的國家核安全管理局 (NNSA) 在確定 NIF 的優先事項方面發揮更核心的作用。NNSA 計劃強調模擬核武器內部條件的實驗,生成資料以驗證用於檢查國家核彈頭是否仍然可用的計算機程式碼——這是一項至關重要的工作,因為自 1992 年開始自願暫停地下試驗。
NNSA 國防專案副主管唐納德·庫克表示,沒有人放棄點火。但一個新的產生淨能量的計劃將採取更慢、更有條理的方法。“我們現在將深入研究是什麼問題阻止了點火,並逐步解決這些問題,”他說。“但我們認為這將需要相當多的工作。”
加州斯坦福大學的物理學家羅伯特·拜爾表示,在點火方面已經取得了重大進展,他正在領導加州大學對 NIF 的審查。“雷射本身非常出色,”他說。一次發射可以提供 1.85 兆焦耳的能量,大致相當於實驗室最初承諾的能量。他說,用於研究顆粒的儀器也表現良好。
然而,根據從內爆顆粒獲得的資料,研究人員認為他們離達到點火所需的條件還很遠。一個問題似乎是太多的雷射光從膠囊中散射出去。另一個問題是顆粒被不對稱地擠壓,這降低了其中心的壓力。不對稱性還導致同位素混合不均勻,降低了顆粒中的溫度。“大自然在反擊:這是我對正在發生的事情的簡短版本,”拜爾說。
不僅僅是大自然在反擊——國會的 NIF 資助者也想要答案。“我們很失望,”一位國會工作人員說,他只在匿名的情況下對《自然》說。批評人士說,該實驗室熱情地宣傳雷射聚變可以產生電力的想法,導致國會許多人認為他們正在資助一個能源專案,而事實上,雷射聚變離產生電力還有幾十年的時間。“該實驗室過分強調和誇大了 NIF 的能源方面,從而犧牲了它在庫存管理和基礎科學方面正在進行的非常重要和成功的工作,”一位熟悉 NIF 專案的資深科學家說。
NIF 現任主任埃德·摩西對點火被過度強調的指責感到不滿。“我不認為它被過分強調或被低估了。它就是這樣。” 摩西堅持認為,自從 NIF 開始使用氫顆粒靶以來,在過去的 16 個月中取得了“顯著進展”。“目標是進行點火條件的初步探索,看看我們處於什麼位置,而我們已經做到了。”
但庫克表示,明年用於點火實驗的時間可能會減少。利弗莫爾仍將控制該專案的日常運作,但 NNSA 位於華盛頓特區的總部將在該設施擴大其庫存管理工作時設定優先事項。NIF 已經能夠解決有關能量如何從核武器的裂變階段傳遞到其更強大的聚變階段的關鍵問題。未來的研究將評估武器的“助推階段”——在此期間,第一階段中心的一小部分氘和氚被用來增強爆炸的初始裂變階段。
紐約州羅切斯特大學的雷射聚變研究員裡卡多·貝蒂對優先事項的轉變感到擔憂。“他們必須確保點火工作不會變得次臨界,”他警告說。
保持點火計劃的勢頭可能至關重要,因為國會中的許多人仍然相信實驗室正在推動的能源研究任務。立法者已要求在本月底前向他們提交一份關於實現點火的新計劃。這位國會工作人員說,政界人士準備接受這可能需要比最初宣告的更長的時間,但他們需要看到證據表明它正在按計劃進行:“這不能僅僅是無限期的:‘給我們錢,我們保證我們會做好科學研究。’”如果 NIF 在幾年內未能達到其點火目標呢?“那麼我們將不得不評估是否值得繼續為該設施提供資金。”