2014年2月，美国LLNL实验室，NIF装置。以激光驱动核聚变为目标的科学家们实现了一个里程碑式的突破：聚变反应产出的能量比激发其聚变的能量更高了。这份报告几乎恰好在该装置进行首次192路空腔测试的五年后问世。当NIF在证实激光聚变'>激光聚变的道路上刚开了个好头，之后又陷入重重技术问题的当口，该报告的问世无疑带来了一些受人欢迎的好消息。

　　通过反思产生使聚变发生的内爆的方法，特别是对激光脉冲波形进行整形以减少困扰此项目很久的不稳定性，NIF的工作团队终于得以实现这次里程碑式的进步。然而，尽管实现了净能量产出是一个重要的进展，但实现装置点火的核心目标——产生可以自持的聚变反应——还需要有很多年的努力。本文是对迄今为止NIF走过的激光聚变的道路的总览，并揭示其未来的道路可能在何方。

　　概念提出：在地球上创造一颗恒星

　　自从发现热核聚变是太阳的能源时，科学家们就已经梦想能驾驭这种聚变的能量。但是太阳巨大的重力使得其实现聚变轻而易举——将氢原子和聚合到一起，形成氦核并释放巨大的能量，同时这一过程可持续进行，成为可自持的燃烧——而这在地球上极难实现的，在过去60年中人们一直无法实现大强度或稳定的热核聚变。目前的大部分研究特别集中磁约束聚变方法上。

　　随着激光技术的发明和进步，另一种可能实现聚变的方法问世了。惯性约束聚变通常由高功率激光将微克量级的冰冻氘和氚加热，以驱动聚变反应，从而实现点火目标。1972年，LLNL实验室的John Nuckolls和同事们提议建造这样的一个装置，并草拟了激光功率，脉冲波形，球对称性等关键变量的设计要求。

　　十年后，Nuckolls和同事们进一步细化了这一概念，提议将样品燃料球放置在黑体辐射腔内。概念中，激光轰击到黑体辐射腔内后转化为X射线，进而X射线将烧蚀靶球并激发内爆。这一基本框架——即所谓的间接驱动方法——凝聚了NIF人为了点火默默的付出。

　　图1 金制圆柱黑体辐射腔，尺寸大概相当于一块橡皮，内置胡椒子大小的聚变燃料靶丸

　　NIF该如何工作

　　为了在地球上实现瞬间能够媲美恒星和行星内核的1亿度高温和一千亿倍大气压的超高温超高压环境，NIF的大量工作始于一个9.425mm长，5.75mm直径的金制圆柱空腔，即黑体辐射腔。在辐射腔内是一个2mm的球体，内含一个冰冻的氘-氚球混合冷冻的氘-氚气体。该球体包裹在掺杂硅的塑料外壳内。黑体辐射腔的靶——其尺寸就如同铅笔上的橡皮那么大——放置在一个10米直径的球形靶室内，而该靶室又位于NIF装置的“中央车站”内，那是一个混凝土制的围墙，其高度和直径都是30米。

　　以激光向黑体辐射腔的轰击过程始于一束能量很弱的激光脉冲(大约1nJ)，经过NIF一系列的掺钕玻璃前置放大器和主放，最终的总能量将被放大到1.9MJ。这一巨大的能量经由192路分离的激光放大光束传递到黑体辐射腔内，自适应光学件(变形镜等用来校正波前误差)和其他一系列装置用来提供光束质量，控制光束特性，将红外光转变为紫外光，并聚焦到豌豆大小的黑体辐射腔内。从开始传输到最终进入靶室，光束共传输了1500米——历时大约5μs——且最终打靶的精度控制在50μm以内。

　　当聚焦的光束同时射入金制的黑体辐射腔内时，会在内部产生X射线，并急速加热燃料芯块的掺硅塑料包层。靶球的剩余部分将向内进行内爆，压缩内部的燃料块，并产生一个冲击波附加更多热量到燃料块上，由此产生“点燃”效果。虽然激光照射在靶上的时间约20ns，但大部分的核反应在“声爆时间”内就发生了，这个时间短到大概只有100~200ps。

　　如果内爆是对称发生的，且内爆速度足够大(约700，000英里/时)，氘和氚原子将在千亿分之一秒内聚合到一起，发生聚变反应，并产生出比太阳核心温度还要高的高温。聚变反应将生成Alpha粒子(氦核)和中子。Alpha粒子将附带能量进入氘-氚燃料内，加热燃料并增加聚变反应的比例，从而产生更多Alpha粒子，这就是已知的“热点区”。

　　这一链式反应表明了氘-氚燃料的燃烧速度如何提速并最终达到自持的——达到能够进行增殖燃烧或者点火。终极目标是实验室内的人造恒星将能产出10~100倍于将其点火的能量。

　建造NIF

　　尽管外界关于NIF的舆论总把聚变能与潜在的能源联系在一起，其实该装置最初的目的更多的是倾向核武器而非核能源。上世纪90年代，美国核武器计划由设计与开发新武器转变为拆除现存的武器。能源部创立了储备管理计划，以在不进行全面地下核试验的基础上维持美国核威慑力量的“安全，保密与可靠”。

　　NIF当初的设计是该计划的一部分，为了给科学家们提供一种在可控环境下观察和检测热核反应的方法，以及在给定时间内，做到比地下试验执行更多次的实验。NIF的注资和监管因此由国家核能安全管理局NNSA负责，而不是通过能源部的聚变能项目注资，后者主要集中研究磁约束聚变方面。

　　1997年NIF在LLNL动工开建，预计花费12亿美元，并于2002年竣工。在2000年，政府会计办公室发现建设监督和管理不善，已经比预计标价多出10亿美元。最终该建设项目花费 35亿美元，且比计划晚了十年建成。

　　建设成果：一个庞大无比的装置(3个足球场可以容纳在10个主建筑里)，内置已知建造的最大的激光器和最大的光学仪器，包含7500个直径超过30cm的光学件以及超过30000个更小的光学件。)