法國價值30億歐元的激光核聚變反應實驗室將在反應室中置入兆焦級激光。圖片來源：PATRICK LANDMANN

　　對于任何一個熟悉激光核聚變的研究人員來說，參觀兆焦耳激光器(Laser Mégajoule，以下簡稱LMJ)——去年剛在法國大西洋沿岸建成的一項耗資30億歐元的研究裝置，都會產生一種似曾相識的錯覺?，F場所見和美國加利福尼亞州國家點火裝置(NIF)可謂“一模一樣”。

　　LMJ的占地面積和NIF一樣，都約為一個體育場大小，都是閃亮的白色金屬框架，同樣的方形束射管與10米寬的反應室。不同的是，這里的咖啡品種更加豐富，安全管制沒有那么苛刻，參觀者可訪問的地方更大、可獲得的信息量更多。然而，整體來看走進LMJ的大門就像踏入了美國勞倫斯利物莫國家實驗室——這是另一個運行NIF的核武器實驗室，只不過這個世界由法國控制。

　　“雙胞胎”核聚變裝置

　　這種相似性并非巧合。兩個地點的設施都是為了同一個目的而建——即讓數十束強激光射向一個目標靶標，在瞬間形成極高溫和極大壓力。兩個實驗室也存在廣泛合作，兩個設施也都是出于軍事目的：復制微型核爆炸，使核武器科學家可以確保在需要時無須經過測試即可引爆。和美國同類型裝置相似，法國裝置的另一個目的是實現慣性核聚變(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，釋放出其中蘊藏的巨大能量，并在未來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了一項可以實現點火的緊急計劃——即生成一個可自我維持的核聚變反應堆，并制造出點火時所需的龐大能量。然而，他們實現此研究目標的計劃失敗了，并改變了實驗方法。

　　法國LMJ的建造者替代能源與原子能委員會(CEA)也希望實現點火，因為這是核武器研究和能源研究的基礎?！笆羌す恻c火的目標驅動了裝置設計?！盠MJ項目負責人Pierre Vivini說。但是利用激光核聚變發(fā)電的研究項目將會留給該機構之外的學術人員，他們要等到兩年后才能接觸到該裝置。當他們參與進來時，一些主要設計差別可能會賦予LMJ比NIF更有利的點火時機。

　　就其核心來說，兩個裝置就像是一對“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)時間僅為十億分之幾秒的紅外線。然后，這束較弱的紅外線會進入前置放大器——在脈沖到來前，用氙氣閃光燈使摻釹激光玻璃厚片充滿能量。它們會把能量傳入光束中，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，不過規(guī)模更大)，使其達到1焦耳。

　　運行原理

　　LMJ有22個主放大鏡鏈條，位于建筑周圍的四個大廳中，每個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回反彈并使能量增加至2萬倍。精心設計的放大鏡陣列將使176束光線圍繞球形反應室的各個方向;然后最后一組光學鏡片將會把紅外光變成紫外線(UV)，并把它們集中到反應堆中心針尖大小的一個點上。重新把這些光線集合在一起之后會向反應室中心的目標點上傳遞1.5兆焦的能量——大致相當于載重2噸的卡車以每小時140公里運行時的動能。而NIF的激光則可以傳遞1.8兆焦的能量。

　　由于資金限制，目前僅有一個主要放大鏡鏈條用于聯機。盡管如此，這也足以啟動核武器研究。CEA核武器研究主任Francois Geleznikoff說：“用8組平行光，我們可以做大科學。但是研究武器并不需要所有的光?！痹撛O施每年將補充至少另外兩組放大鏡鏈條(16束光)，直到未來十年滿負荷運轉。但在那之前，來自歐洲的所有IFE研究人員已經得到承諾可以占用該裝置至少20%的使用時間?！懊磕?0次激光射擊可以讓我們真正做一項大科學項目?！辈柖啻髮W等離子物理學家Dimitri Batani說。

　　他們的項目計劃包括一些與NIF的策略存在巨大差異的地方。比如：他們已經獲得了一項計劃安裝在LMJ裝置上的單獨的激光資助項目，可以提供NIF所難以匹敵的時間更短、強度更大的激光脈沖。這項叫作“PETawatt Aquitaine Laser”(以下簡稱PETAL)的項目可以產生達到3.5千焦耳能量的相對溫和的脈沖。但是這些能量將在百萬分之一秒內被壓縮，并產生超過千兆瓦的能量(是LMJ脈沖的100倍)。PETAL的激光脈沖將不會分解并傳向各個方向;它們將來自于一個方向，并設定好時間與主要激光器的脈沖發(fā)生碰撞。在實驗中，它們將會提供瞬間突然迸發(fā)出的能量。

　　把PETAL和LMJ相結合的實驗將模擬恒星以及其他天體內部發(fā)生的過程。研究人員還將使用強大的激光沖擊給質子加速——該方法可以產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自PETAL的短促、急劇爆炸的前景，它可以作為核聚變反應的火花塞。

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

　　點火途徑

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

　　IEF武器實驗室外的研究人員想通過不同的方式解決問題。通過清除掉金屬殼，并把激光束直接對準膠囊，可以避免復雜性以及把紫外線轉化成X光時的能量丟失。為了得到平滑、對稱的向內爆破，很多科學家建議以較慢的速度推動這一過程。但這樣一來壓縮燃料又不能加熱到足夠高的溫度讓核燃料自行運轉;仍需要另外的點火裝置啟動聚變堆。

　　一種可能解決的辦法是快速點火，日本大阪大學是該領域的先驅，該方法是利用快速、高能量激光脈沖來點火——PETAL可以制造這種脈沖。過去十年，IFE研究人員提出了建設一個以快速點火為基礎的示范性IFE反應堆“HiPER”。然而，由于NIF遠未達到點火的能力，該計劃就沒有了動力，但其支持者希望通過LMJ—PETAL組合給予其新動力。

　　近日在功率相對較低的裝置上的實驗已經表明，PETAL或許不能發(fā)出猛烈一擊來觸發(fā)快速點火。但紐約羅切斯特大學引導的另一項選擇或許可以挽救困局。這種名為“沖擊點火”的技術像其他技術一樣，也是用來自主激光器的激光脈沖擠壓燃料膠囊。但是在擠壓最后，激光會突然增加能量，產生一種沖擊波，并傳遞至燃料中心。當沖擊波抵達反應堆中央時，突然增加的壓力可以激活反應堆?！巴ㄟ^Omega裝置(羅切斯特大學的激光器)所做的實驗和其他地方的一些實驗都很鼓舞人心，在這個階段(沖擊點火)所需要的激光條件看起來比快速點火更有前景。”英國中央激光研究所核聚變研究人員Chris Edwards說。

　　在通過LMJ-PETAL裝置實現核聚變能的過程中，研究人員還面臨來自社會與政界的挑戰(zhàn)。歐洲的IFE科學圈相對較小，此前并未經歷過規(guī)模如此大的裝置或武器安全實驗室類的項目?！皢问荓MJ看起來似乎就像一座沙漠中的教堂?！盉atani說，“研究人員對它很感興趣，但是同時持懷疑態(tài)度。很多人不相信它是有助于科研的工具?！倍褻EA還需要克服其不情愿與學術界研究人員分享模擬代碼的問題，他們害怕這樣做可能會幫助“流氓國家”研究熱核武器。Batani說，“我們需要可靠的模擬實驗，但卻沒有開放的代碼?！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：即在法國卡達拉奇正在建設的花費數十億歐元的國際熱核實驗反應堆(ITER)。

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