中國科學(xué)家談NIF激光器未能實現(xiàn)點火事件：言敗尚早

　　美國能源部(DOE)所屬的國家核安全局(NNSA)針對慣性約束核聚變(ICF)提出了一個新計劃：將2020年作為確定NIF能否實現(xiàn)點火目標的最后期限。這個新計劃，引起了激光聚變領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

　　近日，中國激光雜志社編輯采訪了High Power Laser Science and Engineering(HPL)執(zhí)行主編、國內(nèi)激光聚變研究科學(xué)家、中科院上海光機所朱健強研究員。

　　編 輯：NNSA認為，計算機模擬預(yù)測NIF能夠達到點火條件，但缺少對物理可行性的掌握，再加上失敗的大科學(xué)項目管理，造成NIF無法點火現(xiàn)狀。您怎么評價?

　　朱健強：首先，NIF未能實現(xiàn)點火，原因是復(fù)雜的。實現(xiàn)聚變點火的理論和實驗并不是兩個孤立的部分，不能把它們分開來，理論和實驗是相互促進、共同發(fā)展的關(guān)系。這類理論模型并非一個確定的數(shù)值方程，需要在原設(shè)計的基礎(chǔ)上不斷進行實驗，通過實驗結(jié)果分析再反過來完善這個模型。從美國已經(jīng)開展的物理實驗來看，他們也試圖通過改變黑腔直徑、采用高足脈沖等途徑開展實驗，這些并不是原來理論預(yù)先確定的。在目前有限發(fā)次的實驗上，實驗結(jié)果與理論預(yù)期出現(xiàn)了不符，為此美國已經(jīng)提出了未來幾年內(nèi)繼續(xù)開展激光聚變研究的計劃框架。盡管目前沒有實現(xiàn)聚變點火，但美國始終沒有放棄這一目標，估計后續(xù)還會有研究計劃，推動聚變點火。

　　NIF在設(shè)計之初由于受經(jīng)濟預(yù)算約束，設(shè)計的通量負載過高，導(dǎo)致終端光學(xué)元件損傷嚴重，影響了原定的三倍頻激光輸出。按照NIF激光驅(qū)動器的基頻輸出和三倍頻輸轉(zhuǎn)換效率，NIF應(yīng)該具有2.5MJ左右的能量輸出，但事實上目前絕大多數(shù)的實驗發(fā)次都在1MJ以下。所以目前NIF的運行還無法在1.8MJ的輸出能量下有效地開展多發(fā)次物理實驗，也為實現(xiàn)點火的能量點和實驗方式增加了幾分不確定性。

　　NIF前主任MichaelCampbell也認為NIF存在一些問題，運行發(fā)次太少，實驗數(shù)據(jù)太少，很多物理問題無法了解清楚。

　　美國目前的聚變研究方式是從低值探索，尋找點火的能量閾值，而不是采用很高的輸出能量實現(xiàn)點火進而找到點火的能量閾值，這也增加了點火的難度。NIF最初的理論模型中，實現(xiàn)點火所需的能量預(yù)測是在1~10MJ范圍中，最終勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學(xué)家選擇了1.8MJ作為點火能量，這或許也是未能實現(xiàn)點火的原因之一。

　　編 輯：美國海軍實驗室激光核聚變項目的前負責人Stephen Bodner一直認為NIF或Omega無法實現(xiàn)聚變點火，也有其他一些人持同樣觀點。您如何評價這樣的爭論?

　　朱健強：在激光聚變技術(shù)的發(fā)展過程中，多種觀點一直并存，這也是科學(xué)發(fā)展的一個動力。對于一個大型科學(xué)裝置計劃來說，如果沒有爭論的聲音并不一定是好事。

　　Stephen Bodner的觀點是有一定依據(jù)的，如他所說，激光的高相干性會導(dǎo)致出現(xiàn)調(diào)制的現(xiàn)象，在壓縮的過程中會出現(xiàn)不穩(wěn)定，對燃料實現(xiàn)高溫高密度壓縮帶來困難，但我們也不能完全同意他的看法。KrF激光器雖然具有波長短，光斑均勻的優(yōu)點(具體可以讀StephenBodner于2013年發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering發(fā)表的文章)，但作為點火驅(qū)動器，增益介質(zhì)的儲能密度太低，無法實現(xiàn)高功率和大能量的輸出。

　　NIF采用了間接驅(qū)動方法，Omega采用直接驅(qū)動方案，美國能源部一直都在同時發(fā)展兩類驅(qū)動方式的實驗研究?，F(xiàn)在看來，不同的驅(qū)動方式對探索點火途徑是十分重要的，從美國未來的激光聚變研究實驗安排上，就可以看到直接驅(qū)動的實驗發(fā)次很多，我們要仔細探究并理解這些實驗對間接驅(qū)動點火物理的機理貢獻。直接驅(qū)動與間接驅(qū)動并不是兩種完全對立的實驗手段，而是研究聚變點火實驗物理時各有所長，互有補充，這點在美國未來的實驗安排上已經(jīng)得到印證。NIF與Omega之間這種競爭與協(xié)作的關(guān)系，互相促進，共同發(fā)展，使得美國在這個領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位。

　　編 輯：雖然暫時遇到了一些困難，但不可否認NIF在21年的發(fā)展過程中做出了很多創(chuàng)新的工作，請簡要介紹一下。

　　朱健強：是的，NIF到目前為止尚未實現(xiàn)點火，但NIF為激光領(lǐng)域帶來的發(fā)展是有目共睹的。作為一個大型激光裝置，它的建成和運行具有重大的意義。在NIF發(fā)展的過程中，帶來了激光技術(shù)的“七大奇跡”。另外，實現(xiàn)點火、解決能源問題只是NIF的三大使命之一，其他的兩大使命分別是核武器庫存和高能高密度物理研究。即使在不點火的前提下，NIF也為這兩大使命提供了實驗平臺，對該領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)發(fā)展有重要作用。

　　編 輯：如果NIF能在不久的將來實現(xiàn)點火，在您看來從在實驗室的聚變點火到真正的聚變電廠之間還有多遠?

　　朱健強：實現(xiàn)點火并不是最終目的。在大型裝置上點火成功到能夠真正地使用這一清潔能源，還有很長的路要走。目前實驗室的點火研究是單次的，而作為聚變能源，需要有一定的重復(fù)率。這意味著，將來即使聚變點火成功，用于聚變能源所采用的技術(shù)路線會完全不同于現(xiàn)在，需要用新型激光介質(zhì)和半導(dǎo)體激光作為抽運源，實現(xiàn)高重復(fù)率?？v觀整個科學(xué)技術(shù)史，一項技術(shù)從實驗成功到實際應(yīng)用，都需要很長的時間來實現(xiàn)。

　　編 輯：最后，請您做一下總結(jié)。

　　朱健強：雖然NIF在近幾年內(nèi)無法實現(xiàn)點火，但這不代表點火是不可實現(xiàn)的，NIF的實驗仍然在繼續(xù)。這項工作的重要性決定了我們需要全面了解目前美國的狀況，同時繼續(xù)探索機理，發(fā)展技術(shù)，理性判斷，補足短板。

　　實際上，國內(nèi)的科學(xué)家已經(jīng)利用規(guī)模遠小于美國NIF的高功率激光裝置開展了卓有成效的原創(chuàng)性研究工作。例如，在實驗室天體物理方面，上海交通大學(xué)張杰院士團隊在上海光機所聯(lián)合實驗室的神光II裝置上成功模擬了重要的天文現(xiàn)象——太陽耀斑中環(huán)頂X射線源和重聯(lián)噴流。張杰院士也因此突出貢獻在2015年獲得激光聚變領(lǐng)域國際最高獎——愛德華·泰勒獎。

　　由此可見，聚變點火這類前所未有的科學(xué)目標，給我們提供了無限的研究空間，也給我們提出了很多挑戰(zhàn)，是繼承發(fā)展還是發(fā)展繼承?繼承發(fā)展類似于一種跟蹤，發(fā)展繼承是有自己的獨立判斷。聚變點火研究，需要我們有理性的分析判斷，對復(fù)雜的機理問題不能簡單地借鑒美國同行的思路。中國激光聚變研究的歷史表明，我們曾經(jīng)做出了記入史冊的歷史貢獻，也將會對聚變點火的未來研究做出我們的貢獻。

　　大家應(yīng)該注意到，上篇報道中也提到了中國的研究工作，這足以表明中國在激光聚變點火研究方面的實力。

　　人物簡介：

　　朱健強，上海光機所研究員，高功率激光物理聯(lián)合實驗室主任，長期從事激光驅(qū)動器發(fā)展研究。