2014年2月，美國LLNL實驗室，NIF裝置。以激光驅動核聚變為目標的科學家們實現了一個里程碑式的突破：聚變反應產出的能量比激發其聚變的能量更高了。這份報告幾乎恰好在該裝置進行首次192路空腔測試的五年后問世。當NIF在證實激光聚變'>激光聚變的道路上剛開了個好頭，之后又陷入重重技術問題的當口，該報告的問世無疑帶來了一些受人歡迎的好消息。

　　通過反思產生使聚變發生的內爆的方法，特別是對激光脈沖波形進行整形以減少困擾此項目很久的不穩定性，NIF的工作團隊終于得以實現這次里程碑式的進步。然而，盡管實現了凈能量產出是一個重要的進展，但實現裝置點火的核心目標——產生可以自持的聚變反應——還需要有很多年的努力。本文是對迄今為止NIF走過的激光聚變的道路的總覽，并揭示其未來的道路可能在何方。

　　概念提出：在地球上創造一顆恒星

　　自從發現熱核聚變是太陽的能源時，科學家們就已經夢想能駕馭這種聚變的能量。但是太陽巨大的重力使得其實現聚變輕而易舉——將氫原子和聚合到一起，形成氦核并釋放巨大的能量，同時這一過程可持續進行，成為可自持的燃燒——而這在地球上極難實現的，在過去60年中人們一直無法實現大強度或穩定的熱核聚變。目前的大部分研究特別集中磁約束聚變方法上。

　　隨著激光技術的發明和進步，另一種可能實現聚變的方法問世了。慣性約束聚變通常由高功率激光將微克量級的冰凍氘和氚加熱，以驅動聚變反應，從而實現點火目標。1972年，LLNL實驗室的John Nuckolls和同事們提議建造這樣的一個裝置，并草擬了激光功率，脈沖波形，球對稱性等關鍵變量的設計要求。

　　十年后，Nuckolls和同事們進一步細化了這一概念，提議將樣品燃料球放置在黑體輻射腔內。概念中，激光轟擊到黑體輻射腔內后轉化為X射線，進而X射線將燒蝕靶球并激發內爆。這一基本框架——即所謂的間接驅動方法——凝聚了NIF人為了點火默默的付出。

　　圖1 金制圓柱黑體輻射腔，尺寸大概相當于一塊橡皮，內置胡椒子大小的聚變燃料靶丸

　　NIF該如何工作

　　為了在地球上實現瞬間能夠媲美恒星和行星內核的1億度高溫和一千億倍大氣壓的超高溫超高壓環境，NIF的大量工作始于一個9.425mm長，5.75mm直徑的金制圓柱空腔，即黑體輻射腔。在輻射腔內是一個2mm的球體，內含一個冰凍的氘-氚球混合冷凍的氘-氚氣體。該球體包裹在摻雜硅的塑料外殼內。黑體輻射腔的靶——其尺寸就如同鉛筆上的橡皮那么大——放置在一個10米直徑的球形靶室內，而該靶室又位于NIF裝置的“中央車站”內，那是一個混凝土制的圍墻，其高度和直徑都是30米。

　　以激光向黑體輻射腔的轟擊過程始于一束能量很弱的激光脈沖(大約1nJ)，經過NIF一系列的摻釹玻璃前置放大器和主放，最終的總能量將被放大到1.9MJ。這一巨大的能量經由192路分離的激光放大光束傳遞到黑體輻射腔內，自適應光學件(變形鏡等用來校正波前誤差)和其他一系列裝置用來提供光束質量，控制光束特性，將紅外光轉變為紫外光，并聚焦到豌豆大小的黑體輻射腔內。從開始傳輸到最終進入靶室，光束共傳輸了1500米——歷時大約5μs——且最終打靶的精度控制在50μm以內。

　　當聚焦的光束同時射入金制的黑體輻射腔內時，會在內部產生X射線，并急速加熱燃料芯塊的摻硅塑料包層。靶球的剩余部分將向內進行內爆，壓縮內部的燃料塊，并產生一個沖擊波附加更多熱量到燃料塊上，由此產生“點燃”效果。雖然激光照射在靶上的時間約20ns，但大部分的核反應在“聲爆時間”內就發生了，這個時間短到大概只有100~200ps。

　　如果內爆是對稱發生的，且內爆速度足夠大(約700，000英里/時)，氘和氚原子將在千億分之一秒內聚合到一起，發生聚變反應，并產生出比太陽核心溫度還要高的高溫。聚變反應將生成Alpha粒子(氦核)和中子。Alpha粒子將附帶能量進入氘-氚燃料內，加熱燃料并增加聚變反應的比例，從而產生更多Alpha粒子，這就是已知的“熱點區”。

　　這一鏈式反應表明了氘-氚燃料的燃燒速度如何提速并最終達到自持的——達到能夠進行增殖燃燒或者點火。終極目標是實驗室內的人造恒星將能產出10~100倍于將其點火的能量。

　建造NIF

　　盡管外界關于NIF的輿論總把聚變能與潛在的能源聯系在一起，其實該裝置最初的目的更多的是傾向核武器而非核能源。上世紀90年代，美國核武器計劃由設計與開發新武器轉變為拆除現存的武器。能源部創立了儲備管理計劃，以在不進行全面地下核試驗的基礎上維持美國核威懾力量的“安全，保密與可靠”。

　　NIF當初的設計是該計劃的一部分，為了給科學家們提供一種在可控環境下觀察和檢測熱核反應的方法，以及在給定時間內，做到比地下試驗執行更多次的實驗。NIF的注資和監管因此由國家核能安全管理局NNSA負責，而不是通過能源部的聚變能項目注資，后者主要集中研究磁約束聚變方面。

　　1997年NIF在LLNL動工開建，預計花費12億美元，并于2002年竣工。在2000年，政府會計辦公室發現建設監督和管理不善，已經比預計標價多出10億美元。最終該建設項目花費 35億美元，且比計劃晚了十年建成。

　　建設成果：一個龐大無比的裝置(3個足球場可以容納在10個主建筑里)，內置已知建造的最大的激光器和最大的光學儀器，包含7500個直徑超過30cm的光學件以及超過30000個更小的光學件。)