簡介
美國國家點火裝置（NIF）（即雷射聚變裝置）由位於美國加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室研製美國國家點火裝置（NIF）（即雷射聚變裝置）是與“神光”計畫一樣的工程，該計畫自1994年開工以來延期了很多次，它最終的目標是2010年實現聚變反應，並達到平衡點，即雷射在聚變反應中產生的能量大於它們所消耗的能量。該計畫建造和運行花費超過35億美元，容納NIF裝置的建築物長215米，寬120米，相當於三個足球場。
NIF作為全球最大的雷射核聚變裝置，從1997年開始建造起已經花掉了納稅人35.5億美元(約合人民幣235億元)。研究人員不惜代價不僅為了研究如何“駕馭太陽的能量”，這個計畫還承載著人類的清潔能源之夢。世界上僅有的三個能達到如此能量級的工程的其他兩個包括中國“神光Ⅲ”和法國的“PHEBUS里梅爾實驗室”。
2010年10月，被譽為“人造太陽”的美國國家點火裝置(NIF)完成了首次綜合點火實驗———192束雷射系統發射的能量打造出600萬華氏度高溫，這相當於恆星或大行星核心的溫度。
發展歷史
設計來源
物理學家JohnNuckolls在1972提出只要1kJ的雷射能量就有可能達成核融合，輸出達到1MJ的能源。
一種軍用ICF的概念專案稱為“實驗型微核融設備”（LMF）可以產生100到1000（MJ）百萬焦耳間的能量。1989/90年間美國國家科學院擬定了一項ICF成果檢驗報告承交國會。
美國國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）的靶室。這個巨型裝置坐落在加州的一個特大號“倉庫”里，它利用雷射將微小的氫原子轉變為熱核反應的能量。大約要過12個月，裝置才能逐漸達到全功率運轉的狀態，不過相關實驗還要繼續進行，直到2040年左右。冷戰結束後美國國防政策和預算都大量減少，催生了“核武儲存與維護專案”，其中也包含了一筆預算在不試爆的前提下設計或改裝新核武。一系列計畫會議在1995年展開，以定訂各實驗室所分配的計畫和預算。其中包含一個重要部份是確認ICF核融合電腦模擬的實驗。原有的Nova升級計畫案對於此計畫來說規模太小，所以NIF於1994年重新設計一個成本超過10億美元的專案，並於2002年完成。
計畫實施
當NIF開始採用單一光束原則建造驗證機時，1994到97年間進展順利。
1998年成功設計了用於高能量氙燈的電容器庫。
2003年5月，NIF就完成了第一組4條光束的雷射器，並產生10.4kJ紅外線能量的試射。
2005年內又完成8組雷射器共153kJ紅外線能量輸出，當時就已經是地球上最高能量的雷射。
2007年1月所有主震盪器內的LRU安裝完畢，控制電腦也安裝成功。到了8月，96條主雷射光束全部上線理論總能量達2.5MJ，比世界最大的Nova雷射器還強40倍。
2009年1月26日，最終替換單元（LRU）安裝完畢，這是NIF最後的重要組件。2009年也完成雷射定位，雷射同步，順暢營運分析等科目操作。
2009年2月10日，全部96門雷射第一次發射出1.1MJ（百萬焦耳）紫外線能量將近3ω，也擊中目標室。主雷射理論上可達1.952MJ總功率。
2010年2月，測試表明，NIF已具備能力去發射1.2兆焦至1.3兆焦能量的雷射脈衝去點燃聚變反應。
2010年10月上旬，NIF終於完成了其首次綜合點火實驗。192束雷射系統向首個低溫靶室發射了1兆焦的雷射能量，與以前在羅切斯特大學雷射器實驗相比，能量提高了30倍。
2012年3月22日，NIF發射出的雷射在經過最後一個聚焦透鏡後，達到了2.03兆焦，在一舉打破紀錄的同時，也成為世界上首個2兆焦能量的紫外雷射，其最終投向靶室的192束雷射束射出了1.875兆焦(MJ)的能量。
2012年12月，據外媒報導稱，由於技術問題美國國家點火裝置，將改變發展道路，把重點放在核武器研究上。
原理
將發生核聚變的反應室NIF目標是造成500兆兆瓦（TW）能量的雷射在1微微秒的同一瞬間擊中球體。設計中是採用192門總成雷射光束，每四具雷射產生器一組共48組每組經過16道強化過濾器。
為了保證雷射產生器同步化，所有雷射的最初光源都是來自單一產生器（ILS）再分割強化。因此最初的雷射能量只有一具1053nm的鏡紅外線雷射主控振盪器搭配光纖引導分裂進入48具擴大器（PAMs）。擴大器會讓光束循環經過四次釹玻璃，每層增強6焦耳能量。原本的設計中這層擴大器會將建築物分割成兩半。改良設計後可以達到更大功率所以也就縮小了體積。
主擴大器原理一樣但是更大且位於雷射末端。發射後第一層擴大器會點燃7,680具高能量氙燈（每層小擴大器還有自己的氙燈）。所有燈是用大量電容器的能量發出400百萬焦耳（MJ）光能。當光波經過，擴大器會把儲存的能量加入其中，這並非是很有效率的機器，也只有約1/4的能量會成功加入到光束中；所以為了解決這問題光束才要使用光纖導軌進入反射腔重複通過四次。一系列擴大最後會把原本的6焦耳雷射加強到4百萬焦耳。雖然只能維持幾十億分之一秒，但是能量可以達到極高，瞬間超過500TW。
當擴大器把能量加入雷射中後，雷射會直接射往末端的目標球。整條雷射光束貫穿建築物長達1,000遲（305m）而不中斷。其中大量的長度都是在慮光器中渡過，它是一種瞄準最終目標點的類似望遠鏡管狀物，並能切斷任何偏離的光束還能確保雷射以極高精確度命中。濾光器科技都來自早期的一項LLNL實驗“獨眼巨人”專案。最後多種不同的最高深光學科技包裝成線性替換單元（LRUs），這種汽車大小的單一方盒可以在損壞或升級時整組模組化拆裝而不必改動建築物。
在擊中球型目標室之前雷射會進入反射場，通過一系列反射鏡分裂成許多道光束圍繞著球型目標室從不同角度射入，讓其中的燃料球從不同方向被擊中。從主震盪器到最後射進球體的整個全長過程中；科學家可以用諸多光學設備調整以放慢光的速度使它們在同一微微秒間同時擊中。像平面圖所示，NIF的雷射發生器是在上方和下方。目標室和反射場。LLNL使用切成薄片的大型磷酸二氫鉀（KDP）水晶體用於NIF的光頻轉換器，把1053nm紅外線基本波轉換至351nm紫外線波.集中目標前的一個最終程式會將1053nm紅外線從轉換成351nm紫外線（UV）該程式使用一種光學頻率倍增器來達成。
國家點火裝置可以把200萬焦耳的能量通過192條雷射束聚焦到一個很小的點上，從而產生類似恆星和巨大行星的核心以及核爆炸時的溫度和壓力。
大約有10萬億中子從靶室中湧出。這表明，燃料球中的較重氫(氚和氘)已成功實現聚變。據摩塞斯介紹，在最終點火目標的鏈式聚變反應中，飛出的中子將比這1000倍還要多。
聚變方式的原理不同。之前所說的受控核聚變實現點火條件要求時間與密度的乘積達到一定的條件。時間長、密度低的是磁約束，其密度要比固體密度小10個量級，但時間要足夠長，達到1秒鐘這個量級；時間短、密度高的是慣性約束，通常要到達固體密度的1000倍，時間卻很短，為1個納秒(10-9秒)。ITER是磁約束，而NIF屬於慣性約束，歷史上中國的王淦昌先生曾獨立地提出了慣性約束的思想。對於這兩種約束，各有優缺點，都有待於實驗檢驗。
核聚變雖然可以放出巨大能量，實現受控核聚變條件是比較苛刻的。核的半徑大約是原子半徑的十萬分之一。要發生聚變反應，首先要克服庫倫排斥力，將核碰到一起。而庫倫排斥力是平方反比律，距離越短，排斥力越大。人們無法控制單個原子核的行為。為實現我們所需要的大量反應，可將聚變物質加溫到很高的溫度(通常要上億攝氏度)，在一定的密度下，維持足夠長的時間，這樣核物質在發生多次庫倫碰撞後，就有一定的幾率發生聚變反應而放出能量。實現點火條件(即輸出能量大於輸入能量)要求密度和約束時間的乘積達到一定要求。最容易達到條件的是氘-氚反應，但氚是不穩定核，地球上沒有，需要通過人工製造；最清潔的氘-氦3反應，但反應條件相對更苛刻一點，而且地球上沒有氦3。
為了演示聚變，NIF發射192路高能雷射光束鉛筆橡皮大小的圓柱體黑體輻射腔中，黑體輻射腔中心放置一微小球形靶丸，靶丸中充滿氘氚聚變燃料。在黑體輻射腔中，雷射能量轉換成X射線，壓縮燃料，使其達到超過2億的華氏溫度，以及超過10億大氣壓的溫度。燃料靶丸的快速壓縮使氫核發生聚變，釋放大量能量，遠大於雷射驅動能，實現能量增益。
國家點火裝置的終端光學檢查系統。科學家利用世界上最強雷射產生的192道光束直接照射在冰凍的氫原子珠上，激發了一次持續十億分之五秒的猛烈爆炸。
國家點火裝置不僅有世界上最強的雷射，也有世界上最大的光學儀器。這是磷酸二氫鉀（KDP）晶體，重達800磅（360千克），是雷射器的主要部分。套用新的方法，生成這么一大塊晶體只需要兩個月時間，而傳統的方法則需要兩年。每塊晶體被切成邊長40厘米的方形晶片，整個國家點火裝置需要600個這樣的晶片。
線上性可替換單元（LRU）之間的雷射玻璃調和板。LRU由一個大金屬框，以及固定於其上的各種類型的透鏡、反射鏡或玻璃組成。這些透鏡或玻璃等可以輕鬆地安置在光線的通路中，也可以方便地取出進行維護。玻璃調和板LRU將安裝在兩個閃光燈暗盒之間，雷射束穿過的時候，閃光燈暗盒點亮，從而使雷射在通往靶室的過程中吸收來自特殊處理的玻璃的能量。
當雷射從輻射空腔兩端射入時的靶物球芯。密集光束產生的高能震盪波以百萬英里每小時的速度衝擊燃料球芯，製造出一億攝氏度左右的高溫。在這種只有恆星核心中才存在的極端條件下，氫原子將發生聚變，產生氦和巨大的能量。
裝置任務
第一個任務是讓科學家用它模擬核爆炸，研究核武器的性能情況，這也是美國建設國家點火裝置的初衷，即作為美國核武器儲備管理計畫的一部分，保證美國在無需核試驗的情況下保持核威懾力。
第二個任務是使科學家進一步了解宇宙的秘密。科學家可使用國家點火裝置模擬超新星、黑洞邊界、恆星和巨大行星核心的環境，進行科學試驗。這些試驗大部分不會保密，將為科學界提供大量此前無法獲取的數據。
第三個任務是保證美國的能源安全。科學家希望從2010年開始藉助國家點火裝置來製造類似太陽內部的可控氫核聚變反應，最終用來生產可持續的清潔能源。公報說：“國家點火裝置所產生的能量遠大於啟動它所需要的能量，這是半個多世紀以來核聚變研究人員一直夢寐以求的‘能量增益’目標。如能取得成功，將是有歷史意義的科學突破。”
實驗步驟
安裝球形外殼1、安裝球形外殼
為了產生聚變所必須的高溫和高壓，“國家點火裝置”將匯聚其所有192束雷射束同時射向一個氫燃料目標之上。“國家點火裝置”呈球形(如圖所示)，直徑約為10米，重約130噸。裝置內有一個目標聚變艙，點火實驗就發生於目標聚變艙內。整個球體由18塊鋁材外殼拼接而成，每塊外殼均約10厘米厚。球體外殼上正方形視窗就是雷射束的入口，而圓形視窗則是用來安裝和調節診斷裝置，診斷裝置共有近100個分片。
2、用調節器調整靶位
這是目標聚變艙內部的照片。雷射束通過外殼上的入口進入目標艙，把將近500萬億瓦特的能量瞄準於位置調節器的尖端。圖中右側的長形帶有尖端的物體就是位置調節器，每次實驗的目標氫燃料球就置放於尖端之上。當所有雷射束全部投入時，“國家點火裝置”將能夠把大約200萬焦耳的紫外線雷射能量聚焦到小小的目標氫燃料球之上，它比此前任何雷射系統所攜帶能量的60倍還要多。當雷射束的熱和壓力達到足以熔化小圓柱目標中氫原子的時候，所釋能量要比雷射本身產生的能量更多。氫彈爆炸和太陽核心會發生這類反應。科學家相信，總有一天通過核聚變而不是核裂變會產生一種清潔安全的能源。
3、將燃料放入燃料艙(圓柱體)
進入“國家點火裝置”的所有192束雷射束都將被引向圖中這個鉸筆刀大小的圓柱體。該圓柱體中將裝有聚變實驗所使用的目標燃料，目標燃料就是約為豌豆大小的球狀冰凍氫燃料。實驗時，雷射束將通過各自視窗進入目標艙內，從各個方向壓縮和加熱氫燃料球，希望能夠產生自給能量的聚變反應。曾經有不少科學家認為可控核聚變反應是不可能實現的。近年來，科學家找到了一些點燃熱聚變反應的方法，美國研究人員找到的方法是利用高能雷射。雖然科學家們也嘗試了其他種核聚變發生技術，但從已完成的實驗效果看，雷射技術是目前最有效的手段。除雷射外，利用超高溫微波加熱法，也可達到點燃核聚變的溫度。
壓縮並加熱燃料4、壓縮並加熱燃料
所有雷射束進入這個金屬艙內部時，他們將產生強烈的X光線。這些X光線不僅僅可以把豌豆大小的氫燃料球壓縮成一個直徑只有人類頭髮絲截面直徑大小的小點，它還能夠將其加熱到大約300萬攝氏度的高溫。儘管雷射的爆發只能持續大約十億分之一秒，但物理學家們仍然希望這種強烈的脈衝可以迫使氫原子相互結合形成氦，同時釋放出足夠的能量以激活周圍其他氫原子的聚變，直到燃料用盡為止。在雷射點火裝置內，一束紅外線雷射經過許多面透鏡和凹面鏡的折射和反射之後，將變成一束功率巨大的雷射束。然後，研究人員再將該雷射束轉變為192束單獨的紫外線雷射束，照向目標反應室的聚變艙中心。當雷射束照射到聚變艙內部時，瞬間產生高能X射線，壓縮燃料球芯塊直至其外殼發生爆裂，直到引起燃料內部的核聚變，從而產生巨大能量。
5、用磷酸二氫鉀晶體轉換雷射束
雷射束在進入目標艙內之前，必須要先由紅外線轉換成紫外線，因為紫外線對加熱目標燃料更為有效。雷射轉換過程必須要使用磷酸二氫鉀晶體。圖中的這塊磷酸二氫鉀晶體重約360公斤。首先將一粒籽晶放入一個高約2米的溶液桶中，經過兩個月的培養才可形成如此巨型的晶體。然後將晶體切割成一個個截面積約為40平方厘米的小塊。“國家點火裝置”共需要大約600多塊這樣的晶體小塊。“國家點火裝置”將被用於一系列天體物理實驗，但是，它的首要目的是幫助政府科學家確保美國“老年”核武器的可靠性。“國家點火裝置”項目的建造計畫於上世紀90年代早期提出，1997年正式開始建設。
技術影響
美國國家點火裝置作為世界上第一個能產生持續核聚變的反應堆，“人造太陽”的成功改寫人類的歷史。
NIF是美國庫存管理計畫的關鍵組成部分，庫存管理計畫的目標是在不進行地下核試驗的條件下保持核威懾的安全有效。這項重要進展是國家安全投資可以在其他領域產生利益的一個例證，NIF可以用於能源技術發展或使人們更好地了解宇宙。
它能產生類似恆星核心的熱與力，設計目的是使美國在無需核試驗的情況下保持核威懾力。但在軍事用處及探秘宇宙天體外，也一併肩負了偉大的清潔能源之夢——超高能量的紫外雷射聚焦於小小的氫燃料球，有望讓人類於實驗室里取得核聚變能源，一種近乎“取之不盡用之不竭”的清潔能源。
