美国国家点火装置持续开展能量增益实验

自2022 年12 月首次实现惯性约束聚变能量增益以来，美国国家点火装置（NIF）通过不断优化实验条件，迄今已成功复现3次能量增益结果，展现出惯性约束聚变广阔而光明的研究前景，显著提升了美国在禁止核试验背景下的核武器研究能力。

1 2023年三次复现能量增益结果

2022 年12 月，国家点火装置在实验中输入2.05 兆焦耳激光能量，产生3.15 兆焦耳聚变能量，首次达成“惯性约束聚变能量增益”这一里程碑。此后，国家点火装置又开展了至少5 次“点火”尝试，其中2023年7月30日、10月8日、10月30日的实验结果能够明确证明实现了能量增益，另有6月和9月开展的2次实验“似乎实现了能量增益”，但由于测量不确定性较高，无法采信。

能量增益效果最显著的是7 月30 日开展的实验，实验中输入2.05 兆焦耳激光能量，产生3.88兆焦耳聚变能，增益系数约1.9，超过了2022年12月的实验结果。

10月开展的两次实验分别用于验证优化激光入射方式以及提高激光能量对能量增益的影响。10月8日，研究人员在改进激光瞄准靶丸对称性的基础上，将入射激光能量由2.05 兆焦耳降低至1.9 兆焦耳，同样实现能量增益，产生2.4兆焦耳聚变能，远超2021 年相似实验条件下获得的结果（2021年8月，国家点火装置输入1.9兆焦耳激光能量，产生1.3 兆焦耳聚变能，刷新当时产能纪录），证明了优化入射激光对称性对提高能量增益的影响。10 月30 日，研究人员将入射激光能量提高至2.2 兆焦耳，获得3.4 兆焦耳聚变能，增益系数约1.5。后续结果分析表明，靶丸未充分实现对称性内爆，意味着2.2兆焦耳入射激光能量有可能获得更大的聚变产能，研究人员计划于2024 年2 月开展第二次2.2 兆焦耳激光打靶实验。

2 激光能量提高及精确性控制是实现能量增益的关键

根据劳伦斯·利弗莫尔国家实验室披露的数据，国家点火装置成功实现能量增益主要得益于三项措施。

一是提高入射激光能量。理论计算表明，随着实验中输入能量的增加，聚变能输出往往呈指数级增长。国家点火装置激光器的设计输出为1.8 兆焦耳，于2021 年增加至1.9 兆焦耳；2022 年，该装置通过增加一种可以保护激光组件免受靶室附近飞行碎片伤害的新光学元件，将激光能量提高至2.05兆焦耳；2023年，通过在三分之二的激光束线上添加熔融硅碎片屏蔽，以及在32 个下半球激光束线上安装金属屏蔽，大幅降低碎片对光学部件的损伤，将激光能量提高至2.2 兆焦耳；未来，技术人员计划通过设施升级，将激光能量提高至3 兆焦耳，从而获得近30兆焦耳的聚变产能。

图1 国家点火装置迄今能量增益实验结果

二是提高入射激光对称性。技术人员2023年完成了高保真脉冲整形（HiFiPS）系统的部署工作。该系统能够实现更精确的脉冲整形，进而在内爆中实现更好的功率平衡和对称性控制。此外，通过翻新用于精确测量激光脉冲能量的光纤设施，提高光纤在中子暴露环境下的稳定性，使传输信号强度增强10到100倍，实现激光性能的精准控制。

三是增加靶丸包覆层厚度。此举是为了通过增加目标胶囊的厚度来利用额外的激光能量，同时减小等离子体流动不稳定性的影响。

为促进国家点火装置发展，2023 年12 月7日，美国能源部宣布将在未来四年为“惯性约束聚变能科学技术加速研究”（IFE-STAR）计划提供4200 万美元资助，该计划的目标之一即为国家点火装置开发更高效的激光系统。研究人员正在通过提高激光能量、改善激光脉冲以产生更对称的内爆等途径，围绕上述关键技术开展攻关，以期获得更高的能量增益系数。

3 实验能力攀升有助于美国提高核武器研究水平

国家点火装置建造初衷是为了保持美在禁止核试验背景下的核武器研究能力。该装置可以模拟类似核爆时的极端实验条件（温度超过1亿摄氏度，压力超过大气压1000 亿倍），帮助研究人员优化其核武器爆炸计算机模型，减少不确定性，从而在不直接引爆的情况下验证美国库存核武器的可靠性；加深研究人员对核聚变反应启动及维持所需精确条件的理解；开展核武器电子元件在作战时强辐射条件下工作测试等。2015—2022 年，国家点火装置平均每年开展400 次打靶实验，其中用于支持国家核军工管理局“核武器库存管理计划”开展的高能密度实验与国家安全应用实验次数超过70%。国家点火装置已被用于巡航导弹W80-4 弹头的老化材料替代方案评估实验以及新材料的耐辐射实验等。

虽然美国能源部声称，国家点火装置实现能量增益对于“核聚变商业应用”研究具有积极意义，但考虑到惯性约束核聚变的反应频次低（国家点火装置通常一天仅开展一次点火实验）、电能到聚变能转化效率低（小于1%）等问题，利用惯性约束聚变开展聚变发电应用示范仍需解决靶丸制备、燃料放置及对准、脉冲再储能、能量提取等诸多工程技术难题。

4 结语

国家点火装置于2009 年投运，大部分设备及部件已运行超20 年，该装置的理论设计寿期将持续至2040 年。为了确保该装置在设计寿期内能够继续为库存管理计划提供服务，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室于2023年启动一项为期五年的维持计划，包括紧急翻新、资本重组和改进。2023年是维持计划的第一年，重点是开展采购前期工作，增加执行项目所需的必要额外人员等，2024年的计划包括大型科研项目的规划和设计，预计2027年完成维持计划。

国家点火装置作为支撑美国“核武器库存管理计划”的重要实验装置，在短时间内多次成功复现净能量增益实验结果，标志着该装置在提供实验室受控状态下的模拟核爆条件的重大提升。该装置计划通过扩建激光系统、优化光学元件等方式，进一步提升能量增益效果，有望为美开展核武器相关研究提供更优异的实验条件。