法國(guó)價(jià)值30億歐元的激光核聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)室將在反應(yīng)室中置入兆焦級(jí)激光。圖片來(lái)源：PATRICK LANDMANN

　　對(duì)于任何一個(gè)熟悉激光核聚變的研究人員來(lái)說(shuō)，參觀兆焦耳激光器(Laser Mégajoule，以下簡(jiǎn)稱LMJ)——去年剛在法國(guó)大西洋沿岸建成的一項(xiàng)耗資30億歐元的研究裝置，都會(huì)產(chǎn)生一種似曾相識(shí)的錯(cuò)覺(jué)?，F(xiàn)場(chǎng)所見(jiàn)和美國(guó)加利福尼亞州國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)可謂“一模一樣”。

　　LMJ的占地面積和NIF一樣，都約為一個(gè)體育場(chǎng)大小，都是閃亮的白色金屬框架，同樣的方形束射管與10米寬的反應(yīng)室。不同的是，這里的咖啡品種更加豐富，安全管制沒(méi)有那么苛刻，參觀者可訪問(wèn)的地方更大、可獲得的信息量更多。然而，整體來(lái)看走進(jìn)LMJ的大門就像踏入了美國(guó)勞倫斯利物莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室——這是另一個(gè)運(yùn)行NIF的核武器實(shí)驗(yàn)室，只不過(guò)這個(gè)世界由法國(guó)控制。

　　“雙胞胎”核聚變裝置

　　這種相似性并非巧合。兩個(gè)地點(diǎn)的設(shè)施都是為了同一個(gè)目的而建——即讓數(shù)十束強(qiáng)激光射向一個(gè)目標(biāo)靶標(biāo)，在瞬間形成極高溫和極大壓力。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室也存在廣泛合作，兩個(gè)設(shè)施也都是出于軍事目的：復(fù)制微型核爆炸，使核武器科學(xué)家可以確保在需要時(shí)無(wú)須經(jīng)過(guò)測(cè)試即可引爆。和美國(guó)同類型裝置相似，法國(guó)裝置的另一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)慣性核聚變(IFE)研究，用激光脈沖打破氫同位素的膠囊，使氫同位素熔合成氦，釋放出其中蘊(yùn)藏的巨大能量，并在未來(lái)某一天被用于核電站。

　　但是與NIF初始目的最大不同之處是，LMJ的首要目的是絕密武器。2009年NIF建成之后，利弗莫爾市研究人員啟動(dòng)了一項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的緊急計(jì)劃——即生成一個(gè)可自我維持的核聚變反應(yīng)堆，并制造出點(diǎn)火時(shí)所需的龐大能量。然而，他們實(shí)現(xiàn)此研究目標(biāo)的計(jì)劃失敗了，并改變了實(shí)驗(yàn)方法。

　　法國(guó)LMJ的建造者替代能源與原子能委員會(huì)(CEA)也希望實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，因?yàn)檫@是核武器研究和能源研究的基礎(chǔ)?！笆羌す恻c(diǎn)火的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)了裝置設(shè)計(jì)?！盠MJ項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Pierre Vivini說(shuō)。但是利用激光核聚變發(fā)電的研究項(xiàng)目將會(huì)留給該機(jī)構(gòu)之外的學(xué)術(shù)人員，他們要等到兩年后才能接觸到該裝置。當(dāng)他們參與進(jìn)來(lái)時(shí)，一些主要設(shè)計(jì)差別可能會(huì)賦予LMJ比NIF更有利的點(diǎn)火時(shí)機(jī)。

　　就其核心來(lái)說(shuō)，兩個(gè)裝置就像是一對(duì)“雙胞胎”。和NIF相同，LMJ的研究人員也在使用光纖激光器制造出一束持續(xù)時(shí)間僅為十億分之幾秒的紅外線。然后，這束較弱的紅外線會(huì)進(jìn)入前置放大器——在脈沖到來(lái)前，用氙氣閃光燈使摻釹激光玻璃厚片充滿能量。它們會(huì)把能量傳入光束中，在光線分成很多平行光并被送到主放大鏡之前(同樣的摻釹激光玻璃與同樣的疝氣燈，不過(guò)規(guī)模更大)，使其達(dá)到1焦耳。

　　運(yùn)行原理

　　LMJ有22個(gè)主放大鏡鏈條，位于建筑周圍的四個(gè)大廳中，每個(gè)放大鏡都可以容納八組平行光束。在每次激光射擊中，八組光線在四組放大鏡之間來(lái)回反彈并使能量增加至2萬(wàn)倍。精心設(shè)計(jì)的放大鏡陣列將使176束光線圍繞球形反應(yīng)室的各個(gè)方向;然后最后一組光學(xué)鏡片將會(huì)把紅外光變成紫外線(UV)，并把它們集中到反應(yīng)堆中心針尖大小的一個(gè)點(diǎn)上。重新把這些光線集合在一起之后會(huì)向反應(yīng)室中心的目標(biāo)點(diǎn)上傳遞1.5兆焦的能量——大致相當(dāng)于載重2噸的卡車以每小時(shí)140公里運(yùn)行時(shí)的動(dòng)能。而NIF的激光則可以傳遞1.8兆焦的能量。

　　由于資金限制，目前僅有一個(gè)主要放大鏡鏈條用于聯(lián)機(jī)。盡管如此，這也足以啟動(dòng)核武器研究。CEA核武器研究主任Francois Geleznikoff說(shuō)：“用8組平行光，我們可以做大科學(xué)。但是研究武器并不需要所有的光。”該設(shè)施每年將補(bǔ)充至少另外兩組放大鏡鏈條(16束光)，直到未來(lái)十年滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。但在那之前，來(lái)自歐洲的所有IFE研究人員已經(jīng)得到承諾可以占用該裝置至少20%的使用時(shí)間。“每年50次激光射擊可以讓我們真正做一項(xiàng)大科學(xué)項(xiàng)目?！辈柖啻髮W(xué)等離子物理學(xué)家Dimitri Batani說(shuō)。

　　他們的項(xiàng)目計(jì)劃包括一些與NIF的策略存在巨大差異的地方。比如：他們已經(jīng)獲得了一項(xiàng)計(jì)劃安裝在LMJ裝置上的單獨(dú)的激光資助項(xiàng)目，可以提供NIF所難以匹敵的時(shí)間更短、強(qiáng)度更大的激光脈沖。這項(xiàng)叫作“PETawatt Aquitaine Laser”(以下簡(jiǎn)稱PETAL)的項(xiàng)目可以產(chǎn)生達(dá)到3.5千焦耳能量的相對(duì)溫和的脈沖。但是這些能量將在百萬(wàn)分之一秒內(nèi)被壓縮，并產(chǎn)生超過(guò)千兆瓦的能量(是LMJ脈沖的100倍)。PETAL的激光脈沖將不會(huì)分解并傳向各個(gè)方向;它們將來(lái)自于一個(gè)方向，并設(shè)定好時(shí)間與主要激光器的脈沖發(fā)生碰撞。在實(shí)驗(yàn)中，它們將會(huì)提供瞬間突然迸發(fā)出的能量。

　　把PETAL和LMJ相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)將模擬恒星以及其他天體內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程。研究人員還將使用強(qiáng)大的激光沖擊給質(zhì)子加速——該方法可以產(chǎn)生治療癌癥的緊湊型加速器。讓激光核聚變研究人員興奮的是來(lái)自PETAL的短促、急劇爆炸的前景，它可以作為核聚變反應(yīng)的火花塞。

　　他們期望這樣使用PETAL可以讓IFE研究人員避免NIF曾經(jīng)遇到的一些障礙。IFE任何項(xiàng)目的關(guān)鍵元素都是燃料膠囊—— 一種大小與干胡椒相仿的用來(lái)盛放冷凍氘和氚(氫的同位素，是核聚變的燃料)的塑料球體。這種被放在反應(yīng)室中央的塑料膠囊被來(lái)自激光脈沖的極高溫氣化后，會(huì)產(chǎn)生一種向內(nèi)破裂的力量，把燃料擠壓到鉛密度的100倍，并將其加熱到1億開(kāi)爾文攝氏度，這一溫度足以為核聚變點(diǎn)火。

　　點(diǎn)火途徑

　　在NIF與LMJ的武器研究實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過(guò)把燃料膠囊包裹在一個(gè)金屬殼中間接向內(nèi)引爆膠囊，這種金屬殼可以通過(guò)激光加熱，反過(guò)來(lái)再用X光炸裂膠囊。這種方法具有一些優(yōu)勢(shì)，它可以使激光束的瑕疵變得平滑，而且X光在向內(nèi)爆破過(guò)程中比紫外線更具優(yōu)勢(shì)，但是它卻使目標(biāo)變得復(fù)雜與昂貴，這不是科學(xué)家想要的產(chǎn)生能量的方式。NIF研究人員也曾努力讓這一方式發(fā)揮作用，但能量在轉(zhuǎn)化成X光的過(guò)程中丟失了，而且向內(nèi)爆破進(jìn)展得也不順利。

　　IEF武器實(shí)驗(yàn)室外的研究人員想通過(guò)不同的方式解決問(wèn)題。通過(guò)清除掉金屬殼，并把激光束直接對(duì)準(zhǔn)膠囊，可以避免復(fù)雜性以及把紫外線轉(zhuǎn)化成X光時(shí)的能量丟失。為了得到平滑、對(duì)稱的向內(nèi)爆破，很多科學(xué)家建議以較慢的速度推動(dòng)這一過(guò)程。但這樣一來(lái)壓縮燃料又不能加熱到足夠高的溫度讓核燃料自行運(yùn)轉(zhuǎn);仍需要另外的點(diǎn)火裝置啟動(dòng)聚變堆。

　　一種可能解決的辦法是快速點(diǎn)火，日本大阪大學(xué)是該領(lǐng)域的先驅(qū)，該方法是利用快速、高能量激光脈沖來(lái)點(diǎn)火——PETAL可以制造這種脈沖。過(guò)去十年，IFE研究人員提出了建設(shè)一個(gè)以快速點(diǎn)火為基礎(chǔ)的示范性IFE反應(yīng)堆“HiPER”。然而，由于NIF遠(yuǎn)未達(dá)到點(diǎn)火的能力，該計(jì)劃就沒(méi)有了動(dòng)力，但其支持者希望通過(guò)LMJ—PETAL組合給予其新動(dòng)力。

　　近日在功率相對(duì)較低的裝置上的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，PETAL或許不能發(fā)出猛烈一擊來(lái)觸發(fā)快速點(diǎn)火。但紐約羅切斯特大學(xué)引導(dǎo)的另一項(xiàng)選擇或許可以挽救困局。這種名為“沖擊點(diǎn)火”的技術(shù)像其他技術(shù)一樣，也是用來(lái)自主激光器的激光脈沖擠壓燃料膠囊。但是在擠壓最后，激光會(huì)突然增加能量，產(chǎn)生一種沖擊波，并傳遞至燃料中心。當(dāng)沖擊波抵達(dá)反應(yīng)堆中央時(shí)，突然增加的壓力可以激活反應(yīng)堆?！巴ㄟ^(guò)Omega裝置(羅切斯特大學(xué)的激光器)所做的實(shí)驗(yàn)和其他地方的一些實(shí)驗(yàn)都很鼓舞人心，在這個(gè)階段(沖擊點(diǎn)火)所需要的激光條件看起來(lái)比快速點(diǎn)火更有前景。”英國(guó)中央激光研究所核聚變研究人員Chris Edwards說(shuō)。

　　在通過(guò)LMJ-PETAL裝置實(shí)現(xiàn)核聚變能的過(guò)程中，研究人員還面臨來(lái)自社會(huì)與政界的挑戰(zhàn)。歐洲的IFE科學(xué)圈相對(duì)較小，此前并未經(jīng)歷過(guò)規(guī)模如此大的裝置或武器安全實(shí)驗(yàn)室類的項(xiàng)目。“單是LMJ看起來(lái)似乎就像一座沙漠中的教堂?！盉atani說(shuō)，“研究人員對(duì)它很感興趣，但是同時(shí)持懷疑態(tài)度。很多人不相信它是有助于科研的工具。”而且CEA還需要克服其不情愿與學(xué)術(shù)界研究人員分享模擬代碼的問(wèn)題，他們害怕這樣做可能會(huì)幫助“流氓國(guó)家”研究熱核武器。Batani說(shuō)，“我們需要可靠的模擬實(shí)驗(yàn)，但卻沒(méi)有開(kāi)放的代碼?！倍覛W洲傳統(tǒng)上聚焦于另一種不同的研究方法——磁約束核聚變，這種方法也有其代表性裝置：即在法國(guó)卡達(dá)拉奇正在建設(shè)的花費(fèi)數(shù)十億歐元的國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)。

　　“如果LMJ的沖擊點(diǎn)火方法可行，政治家的態(tài)度就會(huì)變得更加積極?！?Batani說(shuō)。而在核聚變領(lǐng)域一直處于下風(fēng)的歐洲可能也會(huì)因此變得揚(yáng)眉吐氣。