中國科學(xué)家談NIF激光器未能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)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(gè)新計(jì)劃：將2020年作為確定NIF能否實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火目標(biāo)的最后期限。這個(gè)新計(jì)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(jī)所朱健強(qiáng)研究員。

　　編 輯：NNSA認(rèn)為，計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測NIF能夠達(dá)到點(diǎn)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(xiàng)目管理，造成NIF無法點(diǎn)火現(xiàn)狀。您怎么評價(jià)?

　　朱健強(qiáng)：首先，NIF未能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，原因是復(fù)雜的。實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火的理論和實(shí)驗(yàn)并不是兩個(gè)孤立的部分，不能把它們分開來，理論和實(shí)驗(yàn)是相互促進(jìn)、共同發(fā)展的關(guān)系。這類理論模型并非一個(gè)確定的數(shù)值方程，需要在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析再反過來完善這個(gè)模型。從美國已經(jīng)開展的物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)上，實(shí)驗(yàn)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(jì)劃框架。盡管目前沒有實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，但美國始終沒有放棄這一目標(biāo)，估計(jì)后續(xù)還會(huì)有研究計(jì)劃，推動(dòng)聚變點(diǎn)火。

　　NIF在設(shè)計(jì)之初由于受經(jīng)濟(jì)預(yù)算約束，設(shè)計(jì)的通量負(fù)載過高，導(dǎo)致終端光學(xué)元件損傷嚴(yán)重，影響了原定的三倍頻激光輸出。按照NIF激光驅(qū)動(dòng)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(shí)上目前絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)發(fā)次都在1MJ以下。所以目前NIF的運(yùn)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(shí)驗(yàn)，也為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的能量點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)方式增加了幾分不確定性。

　　NIF前主任MichaelCampbell也認(rèn)為NIF存在一些問題，運(yùn)行發(fā)次太少，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)火的能量閾值，而不是采用很高的輸出能量實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火進(jìn)而找到點(diǎn)火的能量閾值，這也增加了點(diǎn)火的難度。NIF最初的理論模型中，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室(LLNL)的科學(xué)家選擇了1.8MJ作為點(diǎn)火能量，這或許也是未能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的原因之一。

　　編 輯：美國海軍實(shí)驗(yàn)室激光核聚變項(xiàng)目的前負(fù)責(zé)人Stephen Bodner一直認(rèn)為NIF或Omega無法實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，也有其他一些人持同樣觀點(diǎn)。您如何評價(jià)這樣的爭論?

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

　　Stephen Bodner的觀點(diǎn)是有一定依據(jù)的，如他所說，激光的高相干性會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)調(diào)制的現(xiàn)象，在壓縮的過程中會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，對燃料實(shí)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(diǎn)(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(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器，增益介質(zhì)的儲能密度太低，無法實(shí)現(xiàn)高功率和大能量的輸出。

　　NIF采用了間接驅(qū)動(dòng)方法，Omega采用直接驅(qū)動(dòng)方案，美國能源部一直都在同時(shí)發(fā)展兩類驅(qū)動(dòng)方式的實(shí)驗(yàn)研究。現(xiàn)在看來，不同的驅(qū)動(dòng)方式對探索點(diǎn)火途徑是十分重要的，從美國未來的激光聚變研究實(shí)驗(yàn)安排上，就可以看到直接驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)次很多，我們要仔細(xì)探究并理解這些實(shí)驗(yàn)對間接驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火物理的機(jī)理貢獻(xiàn)。直接驅(qū)動(dòng)與間接驅(qū)動(dòng)并不是兩種完全對立的實(shí)驗(yàn)手段，而是研究聚變點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)物理時(shí)各有所長，互有補(bǔ)充，這點(diǎn)在美國未來的實(shí)驗(yàn)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(jìn)，共同發(fā)展，使得美國在這個(gè)領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位。

　　編 輯：雖然暫時(shí)遇到了一些困難，但不可否認(rèn)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(qiáng)：是的，NIF到目前為止尚未實(shí)現(xiàn)點(diǎn)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(gè)大型激光裝置，它的建成和運(yùn)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)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(diǎn)火的前提下，NIF也為這兩大使命提供了實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，在您看來從在實(shí)驗(yàn)室的聚變點(diǎn)火到真正的聚變電廠之間還有多遠(yuǎn)?

　　朱健強(qiáng)：實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火并不是最終目的。在大型裝置上點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室的點(diǎn)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(diǎn)火成功，用于聚變能源所采用的技術(shù)路線會(huì)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(yùn)源，實(shí)現(xiàn)高重復(fù)率?？v觀整個(gè)科學(xué)技術(shù)史，一項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)成功到實(shí)際應(yīng)用，都需要很長的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。

　　編 輯：最后，請您做一下總結(jié)。

　　朱健強(qiáng)：雖然NIF在近幾年內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，但這不代表點(diǎn)火是不可實(shí)現(xiàn)的，NIF的實(shí)驗(yàn)仍然在繼續(xù)。這項(xiàng)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(shí)繼續(xù)探索機(jī)理，發(fā)展技術(shù)，理性判斷，補(bǔ)足短板。

　　實(shí)際上，國內(nèi)的科學(xué)家已經(jīng)利用規(guī)模遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)室天體物理方面，上海交通大學(xué)張杰院士團(tuán)隊(duì)在上海光機(jī)所聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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(xiàn)在2015年獲得激光聚變領(lǐng)域國際最高獎(jiǎng)——愛德華·泰勒獎(jiǎng)。

　　由此可見，聚變點(diǎn)火這類前所未有的科學(xué)目標(biāo)，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(dú)立判斷。聚變點(diǎn)火研究，需要我們有理性的分析判斷，對復(fù)雜的機(jī)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(xiàn)，也將會(huì)對聚變點(diǎn)火的未來研究做出我們的貢獻(xiàn)。

　　大家應(yīng)該注意到，上篇報(bào)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(diǎn)火研究方面的實(shí)力。

　　人物簡介：

　　朱健強(qiáng)，上海光機(jī)所研究員，高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任，長期從事激光驅(qū)動(dòng)器發(fā)展研究。