一 : 美国国家点火装置
基本介绍
美国国家点火装置（NIF）（即激光 聚变装置）是与“神光”计划一样的工 程，由位于美国加利福尼亚州劳伦 斯· 利弗莫尔国家实验室研制。1997 年工程正式开始建设。“国家点火装 置”产生的激光能量将是世界第二大 激光器、罗切斯特大学的激光器的 60倍。科学家希望该激光器能模仿 太阳中心的热和压力，用以创造核聚 变反应
实验过程 先将外部激光增强10000倍，然后将一束激光分离为48束 激光，再增强，进一步分离为192束激光，其总能量增加到原来 能量的3000万亿倍，再聚焦到直径为3毫米的氘氚小丸上，产生 1亿度的高温，压力超过 1000亿个大气压，进而引发核聚变。 每束激光发射出持续大约十亿分之三秒、蕴涵180万焦耳能量的 脉冲紫外光——这些能量是美国所有电站产生的电能的500倍还 多。当这些脉冲撞击到目标反应室上，它们将产生X光。这些Ｘ 光会集中于位于反应室中心装满重氢燃料的一个塑料封壳上。X 光将把燃料加热到一亿度，并施加足够的压力使重氢核生聚变 反应。释放的能量将是输入能量的15倍还多。这是因为激光在 镜面之间来回反射，并通过3000块磷酸盐玻璃，其中的钛原子 会使激光束扩大。利弗莫尔有850名科学家和工程师。另外大约 有100名物理学家在那里设计实验。NIF的问题是它的激光每几 小时只能发射一次。Mercury激光的方案已经在计划中。它不 一定比NIF更大，它的目标是每秒钟发射10次脉冲。
国家点火装置建设和试运转完成后，2010年将开始进行 正式点火实验。调试工作包括进行一系列优化和测试实 验，以获取点火实验所必需的关键激光参数和点火靶参 数。这些调试工作将在第一次点火打靶前完成。点火实 验对靶工作性能的要求主要体现在：力能学性能、对称 性，激波时序以及靶丸流体动力学。作为国家点火攻关 项目的一部分，有关上述关键环节调试工作的详细计划 和理论模拟工作目前正在进行。调试和诊断方法的研究 正在现有的若干装置上进行。其中包括美国罗切斯特大 学激光能学实验室的OMEGA激光装置，桑迪亚国家实验室 的Z装置和洛斯阿拉莫斯国家实验室Trident激光装置， 正在开展的制靶工作由美国通用原子公司（General Atomics），劳伦斯里弗莫尔国家实验室和洛斯· 阿拉莫 斯实验室负责。
原理 国家点火装置可以把 ２００万焦耳的能量通过 １９２条激光束聚焦到一 个很小的点上，从而产生 类似恒星和巨大行星的内 核以及核爆炸时的温度和 压力。在此基础上，科学 家可以实施此前在地球上 无法实施的许多试验。
任务 国家点火装置共有３个任务： 第一个任务是让科学家用
它模拟核爆炸，研 究核武器的性能情况，这也是美国建设国家点火 装置的初衷，即作为美国核武器储备管理计划的 一部分，保证美国在无需核试验的情况下保持核 威慑力。 第二个任务是使科学家进一步了解宇宙的秘 密。科学家可使用国家点火装置模拟超新星、黑 洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，进行科学 试验。这些试验大部分不会保密，将为科学界提 供大量此前无法获取的数据。 第三个任务是保证美国的能源安全。科学家 希望从2010年开始借助国家点火装置来制造类似 太阳内部的可控氢核聚变反应，最终用来生产可 持续的清洁能源。公报说：“国家点火装置所产 生的能量远大于启动它所需要的能量，这是半个 多世纪以来核聚变研究人员一直梦寐以求的‘能 量增益’目标。如能取得成功，将是有历史意义 的科学突破。”
作用 加州州长施瓦辛格在落成典礼上发表讲话 说，这一激光系统的建成是加州和美国的伟大 成就，它将有可能使美国的能源结构发生革命 性变化，因为它将教会人们驾驭类似太阳的能 量，使其转变成驾驶汽车和家庭生活所需要的 能源。
LOGO
二 : 2014 年 2 月 12 日发表在 Nature 上的美帝国家点火装置
[国家点火装置]2014 年 2 月 12 日发表在 Nature 上的美帝国家点火装置 (NIF) 在可控核聚变上的新突破前景如何？网友physixfan对[国家点火装置]2014 年 2 月 12 日发表在 Nature 上的美帝国家点火装置 (NIF) 在可控核聚变上的新突破前景如何？给出的答复：
我读了读原文，发现他们玩了个概念上的花招。论文的（5）式定义了传递给聚变反应的能量，他们说只要最终产生的能量超过它即为输出能量大于输入。可实际上，产生192束激光所需要的能量远远大于最终传递到反应中心的能量啊。实验中传递到反应中心的能量（10kJ)，比反应中心输出的能量（大概14kJ）要小。可是要实现点火，所需要的光脉冲的能量已经到1.9MJ了，而产生光脉冲的所需要的电能估计还要再高两个量级。真正的能量输出大于输入应该还有很远的路要走。
网友尹璋琦对[国家点火装置]2014 年 2 月 12 日发表在 Nature 上的美帝国家点火装置 (NIF) 在可控核聚变上的新突破前景如何？给出的答复：
三 : 美国国家点火装置：美国国家点火装置-简介，美国国家点火装置-发展历史
美国国家点火装置（NIF）（即激光聚变装置），俗称“美国人造小太阳”，是美国国家核安全管理局(NNSA)的库存管理计划的关键环节，位于美国加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研制，是世界上最大和最复杂的激光光学系统，用于在实验室条件下实现人类历史上的第一次聚变点火。2010年10月，NIF完成了其首次综合点火实验，激光系统向低温靶室发射了1兆焦激光能量，2012年3月实验达到了2.03兆焦。
国家点火装置_美国国家点火装置 -简单介绍
美国国家点火装置（NIF）（即激光聚变装置）是与“神光”计划一样的工程，该计划自1994年开工以来延期了很多次，它最终的目标是2010年实现聚变反应，并达到平衡点，即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量。该计划建造和运行花费超过35亿美元，容纳NIF装置的建筑物长215米，宽120米，相当于3个足球场。
NIF作为全球最大的激光核聚变装置，从1997年开始建造起已经花掉了纳税人35.5亿美元(约合人民币235亿元)。研究人员不惜代价不仅为了研究如何“驾驭太阳的能量”，这个计划还承载着人类的清洁能源之梦。世界上仅有的3个能达到如此能量级的工程的其他2个包括中国“神光Ⅲ”和法国的“PHEBUS里梅尔实验室”。
2010年10月，被誉为“人造太阳”的美国国家点火装置(NIF)完成了首次综合点火实验———192束激光系统发射的能量打造出600万华氏度高温，这相当于恒星或大行星核心的温度。
国家点火装置_美国国家点火装置 -发展历史
设计来源
物理学家JohnNuckolls在1972提出只要1kJ的雷射能量就有可能达成核融合，输出达到1MJ的能源。
1种军用ICF的概念专案称为“实验型微核融设备”（LMF）可以产生100到1000（MJ）百万焦耳间的能量。1989/90年间美国国家科学院拟定了一项ICF成果检验报告承交国会。
冷战结束后美国国防政策和预算都大量减少，催生了“核武储存与维护专案”，其中也包含了一笔预算在不试爆的前提下设计或改装新核武。一系列计画会议在1995年展开，以定订各实验室所分配的计画和预算。其中包含1个重要部份是确认ICF核融合电脑模拟的实验。原有的Nova升级计画案对于此计画来说规模太小，所以NIF於1994年重新设计1个成本超过10亿美元的专案，并于2002年完成。
计划实施
当NIF开始採用单一光束原则建造验证机时，1994到97年间进展顺利。
1998年成功设计了用于高能量氙灯的电容器库。
2003年5月，NIF就完成了第一组4条光束的雷射器，并产生10.4kJ红外线能量的试射。
2005年内又完成8组雷射器共153kJ红外线能量输出，当时就已经是地球上最高能量的雷射。
2007年1月所有主震盪器内的LRU安装完毕，控制电脑也安装成功。到了8月，96条主雷射光束全部上线理论总能量达2.5MJ，比世界最大的Nova雷射器还强40倍。
2009年1月26日，最终替换单元（LRU）安装完毕，这是NIF最后的重要组件。2009年也完成雷射定位，雷射同步，顺畅营运分析等科目操作。
2009年2月10日，全部96门雷射第一次发射出1.1MJ（百万焦耳）紫外线能量将近3ω，也击中目标室。主雷射理论上可达1.952MJ总功率。
2010年2月，测试表明，NIF已具备能力去发射1.2兆焦至1.3兆焦能量的激光脉冲去点燃聚变反应。
2010年10月上旬，NIF终于完成了其首次综合点火实验。192束激光系统向首个低温靶室发射了1兆焦的激光能量，与以前在罗切斯特大学激光器实验相比，能量提高了30倍。
2012年3月22日，NIF发射出的激光在经过最后1个聚焦透镜后，达到了2.03兆焦，在一举打破纪录的同时，也成为世界上首个2兆焦能量的紫外激光，其最终投向靶室的192束激光束射出了1.875兆焦(MJ)的能量。
2012年12月，据外媒报道称，由于技术问题美国国家点火装置，将改变发展道路，把重点放在核武器研究上。
国家点火装置_美国国家点火装置 -原理
NIF目标是造成500兆兆瓦（TW）能量的雷射在1微微秒的同一瞬间击中球体。设计中是采用192门总成雷射光束，每四具雷射产生器一组共48组每组经过16道强化过滤器。
为了保证雷射產生器同步化，所有雷射的最初光源都是来自单一產生器（ILS）再分割强化。因此最初的雷射能量只有一具1053nm的镜红外线激光主控振盪器搭配光纤引导分裂进入48具扩大器（PAMs）。扩大器会让光束循环经过四次釹玻璃，每层增强6焦耳能量。原本的设计中这层扩大器会将建筑物分割成两半。改良设计后可以达到更大功率所以也就缩小了体积。
主扩大器原理一样但是更大且位于雷射末端。发射后第一层扩大器会点燃7,680具高能量氙灯（每层小扩大器还有自己的氙灯）。所有灯是用大量电容器的能量发出400百万焦耳（MJ）光能。当光波经过，扩大器会把储存的能量加入其中，这并非是很有效率的机器，也只有约1/4的能量会成功加入到光束中；所以为了解决这问题光束才要使用光纤导轨进入反射腔重复通过四次。一系列扩大最后会把原本的6焦耳雷射加强到4百万焦耳。虽然只能维持几十亿分之一秒，但是能量可以达到极高，瞬间超过500TW。
当扩大器把能量加入雷射中后，雷射会直接射往末端的目标球。整条雷射光束贯穿建筑物长达1,000迟（305m）而不中断。其中大量的长度都是在虑光器中渡过，它是1种瞄準最终目标点的类似望远镜管状物，并能切断任何偏离的光束还能确保雷射以极高精确度命中。滤光器科技都来自早期的一项LLNL实验“独眼巨人”专案。最后多种不同的最高深光学科技包装成线性替换单元（LRUs），这种汽车大小的单一方盒可以在损坏或升级时整组模组化拆装而不必改动建筑物。
在击中球型目标室之前雷射会进入反射场，通过一系列反射镜分裂成许多道光束围绕著球型目标室从不同角度射入，让其中的燃料球从不同方向被击中。从主震盪器到最后射入球体的整个全长过程中；科学家可以用诸多光学设备调整以放慢光的速度使它们在同一微微秒间同时击中。像平面图所示，NIF的雷射发生器是在上方和下方。目标室和反射场。LLNL使用切成薄片的大型磷酸二氢钾（KDP）水晶体用於NIF的光频转换器，把1053nm红外线基本波转换至351nm紫外线波.集中目标前的1个最终程序会将1053nm红外线从转换成351nm紫外线（UV）该程序使用1种光学频率倍增器来达成。
国家点火装置可以把200万焦耳的能量通过192条激光束聚焦到1个很小的点上，从而产生类似恒星和巨大行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。
大约有10万亿中子从靶室中涌出。这表明，燃料球中的较重氢(氚和氘)已成功实现聚变。据摩塞斯介绍，在最终点火目标的链式聚变反应中，飞出的中子将比这1000倍还要多。
聚变方式的原理不同。之前所说的受控核聚变实现点火条件要求时间与密度的乘积达到一定的条件。时间长、密度低的是磁约束，其密度要比固体密度小十个量级，但时间要足够长，达到1秒钟这个量级；时间短、密度高的是惯性约束，通常要到达固体密度的1000倍，时间却很短，为一个纳秒(10-9秒)。ITER是磁约束，而NIF属于惯性约束，历史上中国的王淦昌先生曾独立地提出了惯性约束的思想。对于这2种约束，各有优缺点，都有待于实验检验。
核聚变虽然可以放出巨大能量，实现受控核聚变条件是比较苛刻的。核的半径大约是原子半径的十万分之一。要发生聚变反应，首先要克服库伦排斥力，将核碰到一起。而库伦排斥力是平方反比律，距离越短，排斥力越大。人们无法控制单个原子核的行为。为实现我们所需要的大量反应，可将聚变物质加温到很高的温度(通常要上亿摄氏度)，在一定的密度下，维持足够长的时间，这样核物质在发生多次库伦碰撞后，就有一定的几率发生聚变反应而放出能量。实现点火条件(即输出能量大于输入能量)要求密度和约束时间的乘积达到一定要求。最容易达到条件的是氘-氚反应，但氚是不稳定核，地球上没有，需要通过人工制造；最清洁的氘-氦3反应，但反应条件相对更苛刻一点，而且地球上没有氦3。
为了演示聚变，NIF发射192路高能激光光束铅笔橡皮大小的圆柱体黑体辐射腔中，黑体辐射腔中心放置一微小球形靶丸，靶丸中充满氘氚聚变燃料。在黑体辐射腔中，激光能量转换成X射线，压缩燃料，使其达到超过2亿的华氏温度，以及超过10亿大气压的温度。燃料靶丸的快速压缩使氢核发生聚变，释放大量能量，远大于激光驱动能，实现能量增益。
国家点火装置的终端光学检查系统。科学家利用世界上最强激光产生的192道光束直接照射在冰冻的氢原子珠上，激发了一次持续十亿分之五秒的猛烈爆炸。
国家点火装置不仅有世界上最强的激光，也有世界上最大的光学仪器。这是磷酸二氢钾（KDP）晶体，重达800磅（360千克），是激光器的主要部分。应用新的方法，生成这么1大块晶体只需要2个月时间，而传统的方法则需要两年。每块晶体被切成边长40厘米的方形晶片，整个国家点火装置需要600个这样的晶片。
在线性可替换单元（LRU）之间的激光玻璃调和板。LRU由1个大金属框，以及固定于其上的各种类型的透镜、反射镜或玻璃组成。这些透镜或玻璃等可以轻松地安置在光线的通路中，也可以方便地取出进行维护。玻璃调和板LRU将安装在2个闪光灯暗盒之间，激光束穿过的时候，闪光灯暗盒点亮，从而使激光在通往靶室的过程中吸收来自特殊处理的玻璃的能量。
当激光从辐射空腔两端射入时的靶物球芯。密集光束产生的高能震荡波以百万英里每小时的速度冲击燃料球芯，制造出一亿摄氏度左右的高温。在这种只有恒星内核中才存在的极端条件下，氢原子将发生聚变，产生氦和巨大的能量。
国家点火装置_美国国家点火装置 -装置任务
第1个任务是让科学家用它模拟核爆炸，研究核武器的性能情况，这也是美国建设国家点火装置的初衷，即作为美国核武器储备管理计划的一部分，保证美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。
第二个任务是使科学家进1步了解宇宙的秘密。科学家可使用国家点火装置模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，进行科学试验。这些试验大部分不会保密，将为科学界提供大量此前无法获取的数据。
第3个任务是保证美国的能源安全。科学家希望从2010年开始借助国家点火装置来制造类似太阳内部的可控氢核聚变反应，最终用来生产可持续的清洁能源。公报说：“国家点火装置所产生的能量远大于启动它所需要的能量，这是半个多世纪以来核聚变研究人员一直梦寐以求的‘能量增益’目标。如能取得成功，将是有历史意义的科学突破。”
国家点火装置_美国国家点火装置 -实验步骤
1、安装球形外壳
为了产生聚变所必须的高温和高压，“国家点火装置”将汇聚其所有192束激光束同时射向1个氢燃料目标之上。“国家点火装置”呈球形(如图所示)，直径约为10米，重约130吨。装置内有1个目标聚变舱，点火实验就发生于目标聚变舱内。整个球体由18块铝材外壳拼接而成，每块外壳均约10厘米厚。球体外壳上正方形窗口就是激光束的入口，而圆形窗口则是用来安装和调节诊断装置，诊断装置共有近100个分片。
2、用调节器调整靶位
这是目标聚变舱内部的照片。激光束通过外壳上的入口进入目标舱，把将近500万亿瓦特的能量瞄准于位置调节器的尖端。图中右侧的长形带有尖端的物体就是位置调节器，每次实验的目标氢燃料球就置放于尖端之上。当所有激光束全部投入时，“国家点火装置”将能够把大约200万焦耳的紫外线激光能量聚焦到小小的目标氢燃料球之上，它比此前任何激光系统所携带能量的60倍还要多。当激光束的热和压力达到足以熔化小圆柱目标中氢原子的时候，所释能量要比激光本身产生的能量更多。氢弹爆炸和太阳核心会发生这类反应。科学家相信，总有一天通过核聚变而不是核裂变会产生1种清洁安全的能源。
3、将燃料放入燃料舱(圆柱体)
进入“国家点火装置”的所有192束激光束都将被引向图中这个铰笔刀大小的圆柱体。该圆柱体中将装有聚变实验所使用的目标燃料，目标燃料就是约为豌豆大小的球状冰冻氢燃料。实验时，激光束将通过各自窗口进入目标舱内，从各个方向压缩和加热氢燃料球，希望能够产生自给能量的聚变反应。曾经有不少科学家认为可控核聚变反应是不可能实现的。近年来，科学家找到了一些点燃热聚变反应的方法，美国研究人员找到的方法是利用高能激光。虽然科学家们也尝试了其他种核聚变发生技术，但从已完成的实验效果看，激光技术是目前最有效的手段。除激光外，利用超高温微波加热法，也可达到点燃核聚变的温度。
4、压缩并加热燃料
所有激光束进入这个金属舱内部时，他们将产生强烈的X光线。这些X光线不仅仅可以把豌豆大小的氢燃料球压缩成1个直径只有人类头发丝截面直径大小的小点，它还能够将其加热到大约300万摄氏度的高温。尽管激光的爆发只能持续大约十亿分之一秒，但物理学家们仍然希望这种强烈的脉冲可以迫使氢原子相互结合形成氦，同时释放出足够的能量以激活周围其他氢原子的聚变，直到燃料用尽为止。在激光点火装置内，一束红外线激光经过许多面透镜和凹面镜的折射和反射之后，将变成一束功率巨大的激光束。然后，研究人员再将该激光束转变为192束单独的紫外线激光束，照向目标反应室的聚变舱中心。当激光束照射到聚变舱内部时，瞬间产生高能X射线，压缩燃料球芯块直至其外壳发生爆裂，直到引起燃料内部的核聚变，从而产生巨大能量。
5、用磷酸二氢钾晶体转换激光束
激光束在进入目标舱内之前，必须要先由红外线转换成紫外线，因为紫外线对加热目标燃料更为有效。激光转换过程必须要使用磷酸二氢钾晶体。图中的这块磷酸二氢钾晶体重约360公斤。首先将一粒籽晶放入1个高约2米的溶液桶中，经过2个月的培养才可形成如此巨型的晶体。然后将晶体切割成1个个截面积约为40平方厘米的小块。“国家点火装置”共需要大约600多块这样的晶体小块。“国家点火装置”将被用于一系列天体物理实验，但是，它的首要目的是帮助政府科学家确保美国“老年”核武器的可靠性。“国家点火装置”项目的建造计划于上世纪90年代早期提出，1997年正式开始建设。
国家点火装置_美国国家点火装置 -技术影响
作为世界上第1个能产生持续核聚变的反应堆，“人造太阳”的成功改写人类的历史。
NIF是美国库存管理计划的关键组成部分，库存管理计划的目标是在不进行地下核试验的条件下保持核威慑的安全有效。这项重要进展是国家安全投资可以在其他领域产生利益的1个例证，NIF可以用于能源技术发展或使人们更好地了解宇宙。
它能产生类似恒星内核的热与力，设计目的是使美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。但在军事用处及探秘宇宙天体外，也一并肩负了伟大的清洁能源之梦——超高能量的紫外激光聚焦于小小的氢燃料球，有望让人类于实验室里取得核聚变能源，1种近乎“取之不尽用之不竭”的清洁能源。
本文标题：美国国家点火装置-美国国家点火装置61阅读| 精彩专题| 最新文章| 热门文章| 苏ICP备13036349号-1