中國科學(xué)家談NIF激光器未能實(shí)現點(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)新計劃：將2020年作為確定NIF能否實(shí)現點(diǎn)火目標的最后期限。這個(gè)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(fǎng)了High Power Laser Science and Engineering(HPL)執行主編、國內激光聚變研究科學(xué)家、中科院上海光機所朱健強研究員。

　　編 輯：NNSA認為，計算機模擬預測NIF能夠達到點(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)項目管理，造成NIF無(wú)法點(diǎn)火現狀。您怎么評價(jià)?

　　朱健強：首先，NIF未能實(shí)現點(diǎn)火，原因是復雜的。實(shí)現聚變點(diǎn)火的理論和實(shí)驗并不是兩個(gè)孤立的部分，不能把它們分開(kāi)來(lái)，理論和實(shí)驗是相互促進(jìn)、共同發(fā)展的關(guān)系。這類(lèi)理論模型并非一個(gè)確定的數值方程，需要在原設計的基礎上不斷進(jìn)行實(shí)驗，通過(guò)實(shí)驗結果分析再反過(guò)來(lái)完善這個(gè)模型。從美國已經(jīng)開(kāi)展的物理實(shí)驗來(lái)看，他們也試圖通過(guò)改變黑腔直徑、采用高足脈沖等途徑開(kāi)展實(shí)驗，這些并不是原來(lái)理論預先確定的。在目前有限發(fā)次的實(shí)驗上，實(shí)驗結果與理論預期出現了不符，為此美國已經(jīng)提出了未來(lái)幾年內繼續開(kāi)展激光聚變研究的計劃框架。盡管目前沒(méi)有實(shí)現聚變點(diǎn)火，但美國始終沒(méi)有放棄這一目標，估計后續還會(huì )有研究計劃，推動(dòng)聚變點(diǎn)火。

　　NIF在設計之初由于受經(jīng)濟預算約束，設計的通量負載過(guò)高，導致終端光學(xué)元件損傷嚴重，影響了原定的三倍頻激光輸出。按照NIF激光驅動(dòng)器的基頻輸出和三倍頻輸轉換效率，NIF應該具有2.5MJ左右的能量輸出，但事實(shí)上目前絕大多數的實(shí)驗發(fā)次都在1MJ以下。所以目前NIF的運行還無(wú)法在1.8MJ的輸出能量下有效地開(kāi)展多發(fā)次物理實(shí)驗，也為實(shí)現點(diǎn)火的能量點(diǎn)和實(shí)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(wèn)題，運行發(fā)次太少，實(shí)驗數據太少，很多物理問(wèn)題無(wú)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)現點(diǎn)火所需的能量預測是在1~10MJ范圍中，最終勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室(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)現點(diǎn)火的原因之一。

　　編 輯：美國海軍實(shí)驗室激光核聚變項目的前負責人Stephen Bodner一直認為NIF或Omega無(wú)法實(shí)現聚變點(diǎn)火，也有其他一些人持同樣觀(guān)點(diǎn)。您如何評價(jià)這樣的爭論?

　　朱健強：在激光聚變技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，多種觀(guān)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)裝置計劃來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有爭論的聲音并不一定是好事。

　　Stephen Bodner的觀(guān)點(diǎn)是有一定依據的，如他所說(shuō)，激光的高相干性會(huì )導致出現調制的現象，在壓縮的過(guò)程中會(huì )出現不穩定，對燃料實(shí)現高溫高密度壓縮帶來(lái)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(cháng)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)火驅動(dòng)器，增益介質(zhì)的儲能密度太低，無(wú)法實(shí)現高功率和大能量的輸出。

　　NIF采用了間接驅動(dòng)方法，Omega采用直接驅動(dòng)方案，美國能源部一直都在同時(shí)發(fā)展兩類(lèi)驅動(dòng)方式的實(shí)驗研究?，F在看來(lái)，不同的驅動(dòng)方式對探索點(diǎn)火途徑是十分重要的，從美國未來(lái)的激光聚變研究實(shí)驗安排上，就可以看到直接驅動(dòng)的實(shí)驗發(fā)次很多，我們要仔細探究并理解這些實(shí)驗對間接驅動(dòng)點(diǎn)火物理的機理貢獻。直接驅動(dòng)與間接驅動(dòng)并不是兩種完全對立的實(shí)驗手段，而是研究聚變點(diǎn)火實(shí)驗物理時(shí)各有所長(cháng)，互有補充，這點(diǎn)在美國未來(lái)的實(shí)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(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NIF在21年的發(fā)展過(guò)程中做出了很多創(chuàng )新的工作，請簡(jiǎn)要介紹一下。

　　朱健強：是的，NIF到目前為止尚未實(shí)現點(diǎn)火，但NIF為激光領(lǐng)域帶來(lái)的發(fā)展是有目共睹的。作為一個(gè)大型激光裝置，它的建成和運行具有重大的意義。在NIF發(fā)展的過(guò)程中，帶來(lái)了激光技術(shù)的“七大奇跡”。另外，實(shí)現點(diǎn)火、解決能源問(wèn)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(lái)實(shí)現點(diǎn)火，在您看來(lái)從在實(shí)驗室的聚變點(diǎn)火到真正的聚變電廠(chǎng)之間還有多遠?

　　朱健強：實(shí)現點(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(cháng)的路要走。目前實(shí)驗室的點(diǎn)火研究是單次的，而作為聚變能源，需要有一定的重復率。這意味著(zhù)，將來(lái)即使聚變點(diǎn)火成功，用于聚變能源所采用的技術(shù)路線(xiàn)會(huì )完全不同于現在，需要用新型激光介質(zhì)和半導體激光作為抽運源，實(shí)現高重復率?？v觀(guān)整個(gè)科學(xué)技術(shù)史，一項技術(shù)從實(shí)驗成功到實(shí)際應用，都需要很長(cháng)的時(shí)間來(lái)實(shí)現。

　　編 輯：最后，請您做一下總結。

　　朱健強：雖然NIF在近幾年內無(wú)法實(shí)現點(diǎn)火，但這不代表點(diǎn)火是不可實(shí)現的，NIF的實(shí)驗仍然在繼續。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(shí)繼續探索機理，發(fā)展技術(shù)，理性判斷，補足短板。

　　實(shí)際上，國內的科學(xué)家已經(jīng)利用規模遠小于美國NIF的高功率激光裝置開(kāi)展了卓有成效的原創(chuàng )性研究工作。例如，在實(shí)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(shí)驗室的神光II裝置上成功模擬了重要的天文現象——太陽(yáng)耀斑中環(huán)頂X射線(xiàn)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(ài)德華·泰勒獎。

　　由此可見(jiàn)，聚變點(diǎn)火這類(lèi)前所未有的科學(xué)目標，給我們提供了無(wú)限的研究空間，也給我們提出了很多挑戰，是繼承發(fā)展還是發(fā)展繼承?繼承發(fā)展類(lèi)似于一種跟蹤，發(fā)展繼承是有自己的獨立判斷。聚變點(diǎn)火研究，需要我們有理性的分析判斷，對復雜的機理問(wèn)題不能簡(jiǎn)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(huì )對聚變點(diǎn)火的未來(lái)研究做出我們的貢獻。

　　大家應該注意到，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(diǎn)火研究方面的實(shí)力。

　　人物簡(jiǎn)介：

　　朱健強，上海光機所研究員，高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗室主任，長(cháng)期從事激光驅動(dòng)器發(fā)展研究。