美國(guó)七十年來(lái)做過(guò)無(wú)數(shù)次的核聚變?cè)囼?yàn)，有成功當(dāng)然也有失敗。題主應(yīng)該問(wèn)的是著名的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施為什么最后失敗了。

美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置National Ignition Facility（NIF）一度是美國(guó)科技的象征，是美國(guó)的驕傲，然而這個(gè)當(dāng)時(shí)耗資數(shù)十億美元、歷時(shí)十余年建設(shè)的大科學(xué)設(shè)施，在歷經(jīng)幾次續(xù)命后，最終于2012年9月宣告點(diǎn)火失敗。

（美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置National Ignition Facility）

NIF失敗主要有資金、設(shè)計(jì)、技術(shù)和管理不善等幾方面的原因。

核聚變發(fā)電的夢(mèng)想

自從1951年5月人類爆炸第一顆氫彈的那一刻起，科學(xué)家們就對(duì)氫這種神奇的氣體產(chǎn)生了濃厚的興趣，他們幻想著有一天能夠像太陽(yáng)那樣源源不斷地生產(chǎn)出大量的熱能用來(lái)發(fā)電，并且不受強(qiáng)烈核輻射的困擾。

爆炸一顆氫彈容易，想要駕馭氫，讓它按人類的要求緩慢地釋放光和熱卻是一件極其困難的任務(wù)，以至于近七十年過(guò)去后的今天，科學(xué)家們依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可控的核聚變目標(biāo)。

核聚變的原理很簡(jiǎn)單，就是模擬太陽(yáng)和大多數(shù)恒星那樣，對(duì)氫氣或氫的同位素氘和氚施加極高的壓力的溫度，迫使它們帶正電的原子核融合在一起，成為氦這樣更大的原子核，在這個(gè)過(guò)程中，原子會(huì)釋放巨大的熱量。

（氘-氚核聚變）

太陽(yáng)是一顆由73.46%的氫和24.85%的氦構(gòu)成的恒星，它的直徑有139萬(wàn)公里，質(zhì)量約為地球的33萬(wàn)倍，在其擁有3000億個(gè)大氣壓和1500萬(wàn)度高溫的內(nèi)核，每秒鐘有近6億噸的氫原子被壓在一起變成氦，同時(shí)產(chǎn)生巨大的能量。

（太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)）

我們在地球上很難實(shí)現(xiàn)3000億個(gè)大氣壓這樣高的壓強(qiáng)，需要用更高的溫度來(lái)彌補(bǔ)壓力的不足，促成氫原子核之間的融合?？茖W(xué)家們估算，我們需要將氫加熱到1億度以上的高溫，才有可能讓處于離子態(tài)的氫原子聚變成為氦，這個(gè)過(guò)程需要消耗巨大的能量。由于核聚變的過(guò)程中能產(chǎn)生更多的能量，所以用它來(lái)發(fā)電是合算的。

目前世界上已知的可控核聚變裝置主要有兩類，一類是我們國(guó)家最近試驗(yàn)成功的高溫超導(dǎo)托卡馬克磁約束裝置；另一類是慣性約束，其中具有代表性的就是我國(guó)的神光系列，和美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置。

（托卡馬克磁約束裝置）

托卡馬克裝置的原理是制造一個(gè)巨大的電磁環(huán)狀管道，將其內(nèi)部的核燃料加熱到極高溫度，使其成為高溫離子體，通過(guò)控制離子體的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)融合；而美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）則是通過(guò)向填充了氘氚的小球發(fā)射高能激光束，來(lái)促使其瞬間達(dá)到極高的溫度和壓力，以達(dá)成核融合的目的。

（圓環(huán)中間的小珠是美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置的氘氚聚變靶）

美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置誕生

關(guān)于運(yùn)用慣性約束的激光點(diǎn)火，實(shí)際上早在1970年左右就已經(jīng)被美國(guó)核物理學(xué)家和核武器設(shè)計(jì)師Ray Kidder提出了，之后在勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院和能源部的科學(xué)家們十多年的爭(zhēng)論之后，美國(guó)國(guó)會(huì)眾議院批準(zhǔn)能源部投資建設(shè)NIF，預(yù)算投資11億美元（當(dāng)時(shí)的11億美元是挺大一筆錢）。

1996年，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置在位于加利福尼亞州的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始建設(shè)，工程進(jìn)行過(guò)程中因?yàn)榧夹g(shù)和管理問(wèn)題經(jīng)歷多次波折。到2002年NIF的工程造價(jià)已經(jīng)上升到28億美元，直到2009年6月才開(kāi)始第一次激光打靶試驗(yàn)，這時(shí)他們已經(jīng)花掉了超過(guò)35億美元，2010年10月才宣布建設(shè)完成。從這以后，國(guó)會(huì)每年要為國(guó)家點(diǎn)火裝置撥付超過(guò)4.5億美元用于試驗(yàn)，據(jù)審計(jì)委員會(huì)估計(jì)NIF總共花費(fèi)要超過(guò)80億美元。

（施瓦辛格州長(zhǎng)參觀NIF）

一個(gè)如此昂貴的設(shè)施，它是怎么工作的呢？

國(guó)家點(diǎn)火裝置的目標(biāo)，是用激光打一個(gè)直徑只有大約2毫米的小小膠囊，這個(gè)小米模樣膠囊里密封著微量溫度為-255°C氘和氚的混合燃料。

（存放氘氚膠囊的金屬腔體）

為了使小膠囊里的氘和氚達(dá)到核聚變所需要的溫度和壓力，科學(xué)家們需要在幾十億分之一秒內(nèi)將192束強(qiáng)紅外激光同時(shí)均勻地照射到這個(gè)小膠囊上，傳遞到目標(biāo)的峰值UV功率達(dá)到500TW。

勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室預(yù)計(jì)這192束激光所產(chǎn)生的20M焦耳的能量如果能夠同時(shí)非常準(zhǔn)確地作用在這粒含有氘氚混合物的膠囊上，將給它施加約3000億個(gè)大氣壓的壓力和420K焦耳的熱量，由此激發(fā)的核聚變將產(chǎn)生約100-150M焦耳的能量，這相當(dāng)于11公斤TNT發(fā)生爆炸。

（激光約束核聚變反應(yīng)過(guò)程）

為了承受巨大爆炸的沖擊，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)巨大的鋼球，它由多塊厚重鋼板拼接成直徑10米、重達(dá)130噸的“靶室”，在鋼球各個(gè)方向鉆了數(shù)百個(gè)孔來(lái)安裝激光槍和其它設(shè)備，以確保192束高能激光能從各個(gè)不同的角度均勻準(zhǔn)確地照射。

（工人正在安裝靶室厚重的鋼制外殼）

科學(xué)家們需要解決的另一個(gè)問(wèn)題，是如何才能讓所有的激光在幾皮秒的時(shí)間內(nèi)從各個(gè)方向照射到同一個(gè)點(diǎn)，因?yàn)榧す馑叩穆窂讲煌?，所以它們到達(dá)目標(biāo)所用的時(shí)間也有差異。如果有幾束激光照射到目標(biāo)的時(shí)間稍有偏差，小珠子所受的力就不均勻，它要么達(dá)不到聚變所需要的壓力，要么會(huì)炸偏，造成點(diǎn)火失敗。

（鋁合金靶室內(nèi)層開(kāi)了許多孔洞以安裝192個(gè)激光槍和其它設(shè)備）

設(shè)計(jì)國(guó)家點(diǎn)火裝置的科學(xué)家們希望達(dá)到這樣的目標(biāo)：在1分鐘內(nèi)連續(xù)爆炸1000顆這樣的小珠子，從而實(shí)現(xiàn)將聚變能量用于發(fā)電的目的。

（NIF的目標(biāo)是1分鐘引爆1000顆氘氚靶）

理想很豐富，現(xiàn)實(shí)卻總是很骨感。

科學(xué)家們從2009年折騰到2012年，沒(méi)有一次完成真正的核聚變。其中一個(gè)問(wèn)題似乎是太多的激光從膠囊中散射了回來(lái)。另一個(gè)原因是他們不能做到讓所有的激光在同一時(shí)刻照射到目標(biāo)，導(dǎo)致小珠子被不對(duì)稱地?cái)D壓，這降低了其中心的壓力。不對(duì)稱性也導(dǎo)致氫同位素混合不均勻，降低了顆粒的溫度。

（激光引起核聚變爆炸瞬間）

因?yàn)闊o(wú)法解決因設(shè)計(jì)缺陷而導(dǎo)致的激光對(duì)焦不準(zhǔn)和時(shí)間不同步，2012年9月，國(guó)家點(diǎn)火試驗(yàn)宣告失敗，國(guó)家點(diǎn)火裝置改變用途。

事實(shí)上，美國(guó)建造NIF主要不是為了和平利用核能來(lái)驗(yàn)證核聚變發(fā)電的可行性，它更重要的用途還是用來(lái)研制和發(fā)展氫彈。因?yàn)樵?996年前后，冷戰(zhàn)已經(jīng)接近結(jié)束，美國(guó)也正在進(jìn)行“全面禁止核試驗(yàn)條約”的談判，一旦加入這個(gè)條約，美國(guó)將不能再進(jìn)行大氣層或地下核試驗(yàn)，而國(guó)家點(diǎn)火裝置正是將氫彈試驗(yàn)小型化的一種手段。所以在點(diǎn)火試驗(yàn)失敗后，這個(gè)世界上最強(qiáng)大的激光設(shè)施被迅速轉(zhuǎn)向了軍事用途，轉(zhuǎn)而為美國(guó)國(guó)家核安全管理局（NNSA）模擬核武器內(nèi)部條件的實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持。

（點(diǎn)火失敗后，NIF由核電站研究轉(zhuǎn)向核武器試驗(yàn)研究）

單從驗(yàn)證氘氚核融合與未來(lái)建設(shè)核聚變電站的角度出發(fā)，目前中國(guó)正在做的高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置是更合理也更容易實(shí)現(xiàn)的發(fā)展方向。美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置的失敗與其說(shuō)是資金、設(shè)計(jì)和技術(shù)原因?qū)е?，倒不如說(shuō)這是慣性約束核聚變?cè)诿裼妙I(lǐng)域失敗的必然。

（位于合肥的托卡馬克裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1億度以上的連續(xù)點(diǎn)火）