美国实现激光聚变记录这对核武器研究意味着什么

　　美国国家点火装置（如图所示的目标室）
　　本月早些时候，美国能源部旗舰激光设施的科学家们打破了他们自己的记录，在不到一秒的时间内产生了超过10万亿瓦的聚变功率——大约是整个美国电网在任何特定时刻发电能力的700倍. 这一突破的消息重新燃起了人们的希望，即长期陷入困境的国家点火装置 (NIF) 可能仍能实现其在持续聚变反应中产生的能量多于消耗的能量的目标。
　　这座耗资35亿美元的设施位于加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室，其设计目的并不是用作电厂原型，而是用于探测热核武器核心的聚变反应。美国在1992年冷战结束时禁止地下核试验后，能源部提议将NIF作为更大的以科学为基础的库存管理计划的一部分，旨在验证该国核武器的可靠性。
　　随着本月激光聚变的突破，科学家们对NIF可能兑现其承诺持谨慎乐观的态度，帮助物理学家更好地了解核聚变的开始，从而了解核武器的引爆。
　　NIF如何实现核聚变？
　　十层楼高，跨越三个美式足球场的面积，NIF装有一系列光学元件和镜子，可将初始光子脉冲放大并分裂成192束紫外激光束，最终将它们聚焦在比铅笔橡皮擦还小的目标上. 这些光束在不到十亿分之一秒的时间内以大约1.9兆焦耳的能量击中了目标——一个金圆柱体，产生了只有在恒星和热核弹中才能看到的温度和压力。
　　面对这种脉冲功率，装有氘和氚冷冻小球的圆柱体随着小球核心的氢同位素加热、融合并产生氦核、中子和电磁辐射而坍塌。目标是释放一连串粒子，导致更多的融合和更多的粒子，从而产生持续的融合反应；根据定义，当聚变反应产生的能量大于消耗的能量时，就会发生＂点火＂。8月8日实验的初步结果表明，聚变反应产生了创纪录的70%的实验能量——几乎达到点火。
　　NIF于2009年开始运营。为什么花了这么长时间（几乎）实现点火？
　　没有人说这会很容易，但事实证明，建立NIF是一项比官员们原先想象的更复杂的工作。建设始于1997年，十多年后结束，比计划晚了几年，至少超出预算24亿美元。
　　NIF未能实现到2012年实现点火的目标；自从对设施进行微调并将优化的目标引入反应室以来，科学家们已经花费了数年时间。最近的成功是在对大规模系统进行多次更改后取得的，包括新的诊断、改进的目标制造技术和提高激光器的精度。
　　NIF 将 192 束激光束聚焦到一个目标上，产生类似于热核弹内部的温度和压力
　　早在NIF开始之前，它就被争议所包围。其他科学家对设施的设计和管理提出了质疑。就在2016 年5月，美国能源部 (DOE) 的一个分支机构——美国国家核安全管理局(NNSA)负责监督核武器并向NIF提供每年约3.5亿美元的资金，质疑该设施是否会永远达到它的点火目标。
　　但即使是该设施的长期批评者也承认最近的突破是向前迈出的重要一步。曾在华盛顿特区美国海军研究实验室工作的等离子体物理学家斯蒂芬·博德纳(Stephen Bodner)说，他对结果既＂惊讶又高兴＂——假设它是可重复的。＂我期待着阅读解释它的科学报告，＂他说。
　　利弗莫尔团队及其合作者刚刚开始研究结果，但初步数据表明，与几个月前进行的实验相比，能量产量增加了8倍，与 2018 年创下的先前报告的记录相比增加了 25 倍。实验室官员表示他们在同行评审发表之前就宣布了这项实验，因为有关结果的消息已经在科学界传播开来。
　　如果NIF实现完全点火，结果可以教给科学家什么关于核武器的知识？
　　从理论上讲，NIF可以更好地了解引发和维持聚变反应所需的精确条件——从某种意义上说，这就是该设施的科学家在过去12年优化系统时所做的工作. 这个问题也是库存管理计划的核心。
　　自1992年以来，物理学家一直在建立一个全面的计划来研究美国的核武库，配备越来越强大的超级计算机和数十个其他研究设施，旨在测试从核材料和组件到爆炸物的一切。Herrmann说，虽然NIF不会引爆微型炸弹，但它的实验可以帮助科学家改进他们用来模拟武器如何引爆的计算机模型，从而可能减少不确定性。其他实验可能会测试武器中的电子设备和其他组件如何在敌对的战争环境中遇到强烈的辐射爆发。
　　许多科学家认为，该设施还能帮助吸引年轻研究人员进入核领域并维持更广泛的科学事业，增强了对国家武器储备的信心，并抵御外部威胁。
　　NIF对美国的库存管理计划必不可少吗？
　　一些批评者质疑科学家是否需要用设施来维持美国的核武器。他们说，管理计划已经增强了对NNSA内部储备的信心，并指出该机构现在提议建造有效的新型核武器，而不是简单地以最小的变化维持当前的缓存。
　　联邦核信息项目负责人汉斯·克里斯滕森(Hans Kristensen)表示：＂这要么显示出极大的狂妄自大，要么显示出难以置信的信心，即使没有正常运行的NIF，您也可以构建我们未来50年所需的大量资源。＂
　　华盛顿特区的美国科学家Herrmann认为NIF仍然可以提供帮助。他说，核武器科学家在评估他们的计算机模拟时，不断从有限的实验数据中进行推断。他说，从NIF能量更高的聚变反应收集的信息将使他们能够更直接地测试模型，希望减少不确定性，并使NNSA更容易证明武器库中的武器在需要时会引爆，而不是在此之前引爆。
　　NIF接下来会发生什么？
　　实验室官员说，最终的考验——该团队能否复制8月8日的成功——最早可能在10月到来。与此同时，科学家们正急于了解和发表他们的发现。Herrmann说，由于该设施在可能的科学边缘运行，因此即使目标胶囊的制造或激光调谐的微小变化也可能导致系统产生比早期实验更多或更少的能量。＂我们不能做完全相同的目标实验，因为我们炸毁了目标，＂他说。但随着时间的推移，他补充说，科学团队应该能够重复并在这一成功的基础上再接再厉——并将设施推得更远。