查看在国家点火设施的目标室内部。

在美国国家点火设施的目标室里，科学家们将192束激光聚焦在一个含有氘和氚的金胶囊上，试图实现核聚变。资料来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室/科学图片库

大约一年前，世界上最大的激光聚变设施的科学家们宣布里程碑式的成就:它打破了所有的记录，并产生了一种高能聚变反应，这种反应可以为恒星和热核武器提供动力，哪怕只有几分之一秒。然而，复制这一实验的努力还远远不够。自然今年早些时候，加州实验室的研究人员改变了方向，开始重新考虑他们的实验设计。

这一事件的转变再次引发了关于国家点火装置(NIF)未来的争论。NIF是一个耗资35亿美元的装置，位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室，由美国能源部管理核武器的分支机构国家核安全管理局(NNSA)监督。NIF的主要任务是创造高当量聚变反应，并为美国武器储备的维护提供信息。

从某种程度上说，2021年8月8日发射的创纪录的激光证明，该设施最终完成了主要任务，该设施的成本要高得多，产量也远低于最初承诺的水平。然而，反复尝试的结果最多只能达到去年年底发电量的50%。研究人员在试图复制实验时并没有期望一帆风顺，因为这个巨大的设备现在正处于聚变“点火”的尖端，一个实验与另一个实验之间微小的、不经意的差异会对输出产生巨大的影响。尽管如此，对许多人来说，未能重现去年8月的实验凸显了研究人员无法精确地理解、设计和预测这些能量下的实验。

点火之路:柱状图显示了自2012年以来国家点火设施实现的聚变反应。

资料来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室

利弗莫尔惯性约束核聚变项目的首席科学家奥马尔•飓风(Omar Hurricane)主张继续推进现有的实验设计，以探测这种能量体系，而不是后退一步重新组合。他说:“我们已经做到了这一点，这在某种程度上证明了我们能够做到。”“我们的问题是反复可靠地做这件事。”然而，他说，项目领导层决定停止重复实验，并将重点放在下一步，这些步骤可能会使NIF远远超过聚变阈值，进入一个全新的、更可预测的机制，其产量明显高于8月份的实验。

社区中的一些研究人员长期以来一直质疑NIF的实用性，对他们来说，整个事件凸显了该设施的显著成就——以及它的基本局限性。“我认为他们应该称之为成功，就此打住，”曾在华盛顿特区美国海军研究实验室(US Naval Research Laboratory)领导激光聚变项目的物理学家斯蒂芬•博德纳(Stephen Bodner)表示。博德纳说，NIF是一个技术死胡同，现在是时候为下一代激光器做准备了，它可以打开聚变能源的大门。

追逐点火

NIF于2009年开放，承诺实现聚变点火，美国国家科学院(NAS)将其定义为产生比消耗更多能量的实验。在错过了2012年实现点火的最初期限后，利弗莫尔大学的科学家们开始了长达十年的努力来微调系统(参见“点火之路”)。最终，在去年8月，在对包括激光和点火靶在内的设备进行了一系列调整之后，他们迎来了突破性的时刻。点火靶是一个装有氢同位素氘和氚冷冻颗粒的金色胶囊。

在不到40亿分之一秒的时间里，192束激光向目标传递了1.9兆焦耳的能量。随着胶囊坍塌，颗粒核心的氢同位素开始融合成氦，释放出大量能量，并产生一系列反应，最终释放出超过1.3兆焦耳的能量——大约是之前记录的8倍，比最早的实验提高了1000倍。

尽管它不符合NAS对点火的定义，但根据NIF科学家使用的标准，这一射击确实产生了高产量的聚变反应，安全地达到了点火的标准。飓风称其为“莱特兄弟时刻”，甚至包括伯德纳在内的NIF最严厉的批评者也脱帽致敬。

9月，惯性约束聚变项目的负责人制定了三次实验的计划，以确定8月的结果是否可以重复。实验于10月开始，只产生了400-700千焦的能量。尽管这些结果仍然代表着NIF运行中的一个台阶变化，但它们并没有接近8月份的突破——也没有超过NIF科学家所描述的点火阈值。

Hurricane说，研究小组对这些实验的分析表明，目标制造过程中的不一致性，以及激光由于年代原因而不可避免的性能变化，在内爆的形状上产生了微小但重要的差异。他说:“我们理解为什么重复拍摄会有这样的表现，但我们仍在努力确定我们需要更好地控制这些工程方面的哪些方面。”

根据这些结果，Hurricane主张进行额外的重复实验，以更好地理解射击对射击的变异性。然而，项目负责人选择继续前进，飓风说，该团队现在正在寻找将激光能量提高10%以上的方法，以及修改目标，以更有效地利用这种能量。

利弗莫尔实验室负责基础武器物理学的副主任马克·赫尔曼(Mark Herrmann)说，实验室从参与该项目的100多名科学家那里得到了大量反馈。但他强调，长期目标是实现比去年8月还高两个数量级的收益率。他补充道:“在我看来，最重要的是我们正在进行良好、仔细、系统的科学研究。”

一份重要报告

纽约罗彻斯特大学激光聚变中心负责人Riccardo Betti说，在某种程度上，实验室未能复制8月份的实验是意料之中的，因为激光现在正在“点火悬崖”处工作，他为NIF的实验提供独立评估。“如果你在悬崖的一边，你可以得到很多融合输出，如果你在悬崖的另一边，你得到的很少，”他说。他说，实验室还没有足够的实验精度来预测一个给定的实验会落在哪一边。

去年，为美国政府提供建议的独立科学小组JASON向NNSA提交了一份关于NIF对美国核武器计划的科学贡献的机密审查报告，报告的核心是关于基础科学和预测能力的问题。这份报告的非机密摘要，由自然根据美国信息自由法案，该小组承认了NIF的能力，但表示该设施在未来几年内不太可能实现“可预测的、可重复的点火”。

这份报告是在8月枪击案发生的4个月前完成并发布给NNSA的，飓风和其他机构认为这份报告时机不对，过于悲观。

JASON小组成员在他们的报告中主张对该计划进行根本性的重新思考，并且在更广泛的激光聚变社区中已经开始了讨论。NIF和其他地方的科学家正在研究如何重新配置当前的激光器，而其他人则在推动全新的设计，为核聚变能源提供更实际的途径。

对“飓风”来说，他并不着急。他坚持认为，该装置目前正在一个关键的聚变状态下运行，这将有助于理解和预测核武器的可靠性。

“一旦我们获得了更多的能量和更多的可预测性，你就有点跳过了有趣的物理学，”Hurricane说。“如果了解并成为更好的科学家和(核储备的)管理者是你的目标，那么这就是你应该工作的体制。”