国家点燃实验设施

**國家點火設施**（英語：**National Ignition Facility**，縮寫作 **NIF**），又稱**國家點燃實驗設施**，是美國的一座基於雷射的慣性約束核融合（ICF）裝置。這個設施由勞倫斯利福莫耳國家實驗室建造，位於加州的利佛摩市 37°41′25.7″N 121°42′03.8″W。NIF 意圖使用雷射（Laser）達成極大高溫高壓施加於一小粒氫燃料球上啟動核融合反應。NIF 也是人類史上最大的 ICF 設施和世界上最大的雷射裝置，其目標是實現點火，以令其融合燃料進入點燃狀態。截至 2013 年 10 月 7 日，NIF 首次實現了通過融合反應輸出比其靶丸從雷射吸收的能量要高的能量。

設施於 1997 年開始建造，但是建設上遇到了諸多問題，所以直到 2000 年初進度一直緩慢。但諸多政治特權使它的建造持續了下去，但也引來核武相關實驗參雜其中的批評，NIF 本計劃五年內完成，但是卻延期四次並嚴重超支。在 2007 年 8 月，96 束雷射（原定 192 束）建造完工，還有 48 束（新計畫為 144 束）接近完成。2009 年 2 月，建造大致完成。預計 2010 全面啟動進行實驗（輸出能量必須大於輸入）。計劃總計花費 40 億美元。設施於 2009 年 6 月進行第一次大型雷射靶實驗，並於 2010 年 10 月宣布完成第一個「綜合點火實驗」用於測試雷射的功率。

整套 NIF 要運作必須啟動 60,000 具各種高科技裝置包含電路、高壓電、光學、機械構造、自動透鏡、能量感應器、監視器、雷射、和一套電腦診斷安全系統。完成這項創舉除了大量藉助電腦化自動控制還依賴大量有經驗的政府與廠商人員得以達成。長達一公里的廠房設備最終要讓 192 門雷射在 1 奈秒同時發射擊中鉛筆頭大小的燃料球。誤差不能超過 30 皮秒。要達到這準確度 NIF 的雷射裝置至關重要，整套設備必須零震動和零熱漲冷縮。所有機械都追求完美，許多 10 噸重的設備必須安放在 100 微米的誤差範圍內。

它被用來作為 2013 年電影《星際迷航：暗黑無界》進取號星艦中的曲速引擎核心的場景。

從 2009 年到 2012 年的實驗是在國家點火運動下進行的，目標是在 2012 年下半年的某個時間，在雷射器達到全功率後立即點火。該運動於 2012 年 9 月正式結束，達到了大約在 1⁄10 點火所需的條件。 此後，NIF 主要用於材料科學和武器研究。 2021 年，在改進燃料靶設計後，NIF 產生了 70% 的雷射能量，打破了歐洲聯合環狀反應爐 (JET 反應爐) 1997 年創下的 67% 的記錄，實現了燃燒電漿。 2022 年 12 月 5 日，經過進一步的技術改進，NIF 首次實現「點火」，即科學盈虧平衡，實現了 154% 的能量產出率。

## 特徵

### 背景

慣性約束核融合（ICF）裝置是使用外部的熱能來源注入其中，以達到封閉區內的高溫高壓。封閉區中央的目標是一個包含若干核燃料的小球，可使用氫或氚等。高能雷射會使小球表面電漿化，表面也會炸開。其餘中心材料受到牛頓第三定律驅使，最終會向中央塌縮，這也被稱為內爆。而爆炸波會使小球均勻的向中央塌縮，使得球中的核燃料在高溫高壓下達到極高的密度。理論上來說，核燃料密度足夠高就會發生融合。

核融合會放出大量產物，其中一些（主要是 α 粒子）碰撞到外層高濃度燃料材料就會減速下來。偵測到期間產生的碰撞熱能後就可以斷定發生融合反應。在內爆時，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發生連鎖反應。這現象就稱為「點火」，這是引發核融合的重點過程，並且會放出大量能源。

* * * * *

計算顯示必須要在燃料球被震暴波爆開前的數微秒之間注入足夠能量才能成功引發融合。而且加諸小球上的能量必須要極度高能卻又均勻才能使球體向中央均勻塌縮至高密度。雖然考慮過其他施加能量的方法，例如重粒子加速器，但目前還是只有雷射科技能達成此種要求。

### 驅動雷射

NIF 目標是造成 500 太瓦（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 束總成雷射光束，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，所有雷射的最初光源都是來自單一產生器（ILS）再分割強化。因此最初的雷射來自於一台 1053nm 的摻鐿光纖主控振盪器，分束後進入 48 具預放大模塊（PAMs）。預放大模塊包括兩級放大。第一級的再生放大器將雷射能量從納焦耳級別提升到數十毫焦耳。第二級放大器會讓光束循環經過四次釹玻璃，最終放大至 6 焦耳能量。原本的設計中預放大模塊會是建設過程中的幾個主要挑戰之一。改良設計後可以達到更大功率所以也就縮小了體積。

主放大器與預放大模塊中第二級放大器原理一樣但是更大且位於雷射末端。發射後第一層放大器會點燃 7,680 具高能量氙燈（每層小放大器還有自己的氙燈）。所有氙燈由電容器組存儲的 422 百萬焦耳（MJ，117 kWh）能量供電。當光波經過，放大器會把儲存的能量加入其中，這並非是很有效率的機器，為了解決這問題光束需要使用光學開關進入反射腔重複通過四次。一系列放大最後會把原本的 6 焦耳雷射加強到 4 百萬焦耳。雖然只能維持幾奈秒，但是功率可以達到極高，瞬間超過 500TW。

當放大器把能量加入雷射中後，雷射會直接射往末端的靶球。整條雷射光束貫穿建築物長達 1,000 呎（305m）而不中斷。其中大量的長度都是在空間濾波器中渡過，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。空間濾波器技術來自一項 LLNL 的早期實驗「獨眼巨人」專案。最後多種不同的光學元件包裝成線性可替換單元（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。

在進入球型靶室之前雷射會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，讓其中的靶球從不同方向被擊中。從主震盪器到最後射入球體的整個全長過程中；科學家可以用諸多光學設備調整光的延遲使它們在同一皮秒同時擊中。像平面圖所示，NIF 的雷射發生器是在上方和下方。靶室和反射場
系統可以移動 48 條光束中的一半到另一個更靠近目標室赤道的位置，做為另一種設置。

擊中目標前的一個最終程序會將 1053 nm 紅外線從轉換成 351 nm 紫外線（UV），該程序使用光學倍頻來達成。

### NIF 和 ICF

本設施名為 "National Ignition Facility"，明確表示 "igniting" 即採用點火方式啟動核融合是目的，也是第一種長期運轉核融合的研究之門。之前的非核武型核融合實驗只有使用電漿包覆的托卡馬克裝置，外部能量的輸入必須全程不中斷以維持電漿，如果電漿層出現破洞將有極大災難。點火式的好處就是一旦開啟核融合可以自行融合燃料球後就可以中斷外部能量供應。因為連鎖反應的能量可以自動融合剩下的材料。因此點火式成為目前最有希望邁入實用化的唯一途徑。

NIF 設計上首次採用間接驅動運作方法，雷射全部能量集中在一個環狀物中的小球。環狀物稱為**環空器**（德文中的 "空洞"、或洞穴），可以重複激發 X 光頻譜，比傳統雷射光束更均勻對稱。該理論是根據 80 年代 OMEGA laser 和 Nova laser 的實驗結論。

這種轉換過程已經很有效率；原始的 4MJ 雷射光束能量輸出中大約 10 到 20% 的 X 光會在目標外層損失 1.8MJ 能量會轉換成 UV，另外一半多的能量會在環空器轉成 x 光損失掉。

NIF 一直在測試新型材料。先前的試驗多半採用塑膠燒蝕材料，例如聚苯乙烯（CH）。NIF 的靶球外層是塑膠物質再噴上一層鈹或鈹銅合金，之後鈹便會氧化塑膠。與塑膠相比；鈹製標靶對 X 光是高濃度不透明體，也是高傳熱體。這都有利於間接擊中型機構設計的 X 光能量型態。使得更多的能量總值施加於內部核融合本身。

雖然 NIF 主要設計為間接驅動裝置，但它產出的能量完全足夠使用直接驅動法，只要能量雷射持續照射於目標。因為 UV 波長的能量在 NIF 的設計中遠超過點火所需。

## 發展史

### 動機

LLNL 的 ICF 專案始於物理學家 John Nuckolls 的構想，他在 1972 年提出只要 1kJ 的雷射能量就有可能達成核融合，輸出達到 1MJ 的能源。雖然這理論中沒有太複雜的機械構造，但是超高能量雷射依然超出當時的最高工藝，當其他專案在研究氣體雷射（例如洛斯阿拉莫斯國家實驗室的 Antares laser 專案）或 KrF（例如美國海軍研究實驗室的勝利女神計畫）LLNL 卻決定全力專攻玻璃雷射為主並啟動了諸多以此能量標準設定的雷射研發專案。1980 年代時 LLNL 的 Shiva laser 專案有了突破進展驗證了短波能量傳遞。這結果使 LLNL 成為玻璃雷射的先驅並引導未來的雷射領域研發。

在 Shiva 專案後，LLNL 發現至少要 20 條 200kJ 雷射才能啟動核融合反應。在 Nova 專案初始建造階段，Nuckolls 博士發現他的計算有一個錯誤，在 1979/10 另一 John Foster Jr. 教授也發現此一錯誤造成能量並不能達成點火核融。所以後來 Nova 更改設計成 10 門較小的 351nm 雷射，但是增加頻率以加強能量密度. Nova 上線運作後透過多個非線性光學機傳出的雷射能傳遞 20 到 30 kJ 能量，只有原本預計的一半。

隨著整個實驗成果一一浮現，發現達到點火所需的實際能量一次比一次計算要高；當時理論上的 200kJ 能量也顯得有點站不住腳。美國能源部（DOE）決定直接展開全面實驗是最好的平息紛爭方式，在 1978 到 1988 年間一系列秘密實驗在內華達核爆場展開以驗證 ICF 組件的 X 光數據；LLNL 將此機密計畫取名 "岩鹽"，LANL 則取名 "百夫長"。第一批數據於 1984 年中出爐，直到 1988 年完成最後測試。雖然本系列機密計畫只有很少部分公諸於世，但是還是可以推估本計畫最終發現需要 20MJ 能量才能達成雷射核融，而且只有 1/5 不會被變成 X 光，因此初始能量至少要 100MJ 的雷射發射器才夠.

### LMF 和 Nova 升級

Nova 計畫部分成功，結合了 Halite-Centurion 計畫數項成果，激勵了 DOE 去設計一種軍用 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。基於 LASNEX 電腦模擬，估計 LMF 需要輸入 10 百萬焦耳能源，加上 Halite-Centurion 測試中的瓶頸。間接暗示了建造這種設施是可行但是很難的，且必須花費十億美元以上。依據此模擬 LLNL 交出一項設計是輸入 5 MJ 350nm（UV）能量後產生 200 MJ 能量的設計案，足以達成多數 LMF 的要求。預算大約 6 億美元（1989 年物價），而且日後可以再加 2.5 億美元升級成 1000 MJ 的加強型，而如果願意投入十億美元的話 LMF 中所有 DOE 要求的目標都能達成。當然此時也有其他實驗室提出各種其他技術的 LMF 設計案。

面對如此大型專案，在 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。報告中表示「基於評估了射與物理效能上的需求，本計畫需要 10 億美元成本，本委員會相信 LMF 是過於龐大的一步性計畫。」他們建議短期目標應該分成幾個小階段點火試驗為主，直到結論確定前 LMF 都不應該建立全尺寸實驗設施。本報告也評論了氣體雷射被 LANL 放棄的計畫，並建議其他實驗室的相似專案也放棄氣體雷射。並認可了 LASNEX 數量與總能量應該接近 10MJ。雖然如此但是有委員還是顧及到更高能量需求，因此註解「基於需求和達成點火，可以在合理範圍內經過全體委員同意將 ICF 能量提升到 100-MJ 之內的任何值。」

### NIF 問世

冷戰結束後美國國防政策和預算都大量減少。限武條約大量節制了核武數量和種類，美國出現了一整代的核武工程師人力斷層無法來維護現有核武或是設計新核武。在此同時全面禁止核試驗條約，禁止了所有核試。也造成設計新核武的高難度。

這些問題催生了「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。物理學家 Richard Garwin 如此評論計畫結果，" 山迪亞國家實驗室建造了微電機動力研發中心 MESA 以得到最適當的 CTBT。洛斯阿拉莫斯國家實驗室建造了雙軸光學動力測試設施。勞倫斯利福莫耳國家實驗室卻建了**國家點火設施** — 就像一頭白色大象從房子外直接把我們連房子一塊吃了。他們都說這是核武儲存與維護專案，其實並不僅於此。"

### 早期問題

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。

Sandia，有關於脈衝能量傳遞的豐富經驗，並於 1998 年成功設計了用於高能量氙燈的電容器庫。但是意外還是發生了，脈衝能量調節模組（PCMs）使電容器爆炸。這件事導致 PCMs 重新設計以容納更多誤差，但是此同時建築物卻還是依照原始設計持續建造，導致變大的新模組很勉強塞進屋中而沒有任何空間可以進行現場維修之用。

### 最近的進展

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。期待已久的試驗預計在 2009 年就會展開 2010 正式點火。

2009 年 2 月 10 日，全部 96 門雷射第一次發射出 1.1 MJ（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 1.952 MJ 總功率。這也是歷史上第一次創紀錄有雷射達到百萬焦耳等級。

2013 年 11 月 19 日的實驗中，NIF 的 192 束雷射將 1.9 MJ 熱量送入環空器，在環空器內部產生近 1 億攝氏度高溫 (比過去高 50% 以上) 和 1 千萬個大氣壓力。融合燃料釋放能量 17.3 kJ，大約為以前紀錄的 10 倍。

2021 年 8 月 8 日的實驗，192 束雷射將內部燃料加熱至 1 億攝氏度的高溫。聚變持續了約 10 飛秒，共產生出 1.3MJ 的能量，比 2018 年的紀錄高出 24 倍。

### 進展歷史

雷射單元 LRU 於 2005 年開始安裝，工程速度也開始加快。早在 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。之後 2005 年內又完成 8 組雷射器共 153 kJ 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 2.5 MJ，比世界最大的 Nova 雷射器還強 40 倍。" 實驗室表示 2009 年 3 月所有主結構體會完工，2010 年將進行第一次 1.8MJ 實驗性紅外線雷射點火。

2009 後整體計畫評估很樂觀，預算也控制在預估之內。然而還是有人對第一次點火的成功率擔心，在最近由一份獨立第三方評估團體 JASON Defense Advisory Group 的報告指出，雖然計畫轉趨樂觀然而 "即使大量克服了科學和技術的挑戰讓 2010 年前點火實驗變成可行，但是成功率依然不可預期。" 但是工程小組暗示如果跳過低功率測試，也許有可能在期限前達到全功率運轉。

NIF 計畫的諸多延遲使得法國的 Laser Mégajoule 計畫得以趕上，該計畫幾乎是 NIF 翻版。Mégajoule 雖然開始比 NIF 晚但是建造期間計畫短，原本估計 2008 完成。可碰上諸多問題現在力拼 2010 完成.

2014 年 2 月，NIF 用 192 支雷射加熱和壓縮燃料芯塊，第一次實現了「燃料增益」，即燃料輸出的能量大於燃料吸收的能量。這是世界第一台能實現「燃料增益」的核融合裝置，這項發現標誌著核融合能源將步入新時代，研究的下一個目標將會是實現「總增益」，即系統產生的能量必須超過進入系統的能量。

## 批評

外界批評集中在專案計畫層面，原本 NIF 定位角色集中在『儲存與管理專案』（SSP）。本計畫是為了重整長期核武儲備與再利用，對外宣稱多樣化的團隊都為了 "科學福祉" 而努力；但是實際上只有一小部分預算是科研，大部分預算是為了讓核子工業存活。美國科學聯盟認為「許多主張是政治考量；在實驗室所稱的延期試驗期間持續消耗大量又昂貴的開銷。」 NIF 其實是 SSP 最弱的環節，因為有一些人懷疑它所實驗的成果到底有多少實用性，還是只是一個不知所謂的大玩具。

2007 一份國家科學顧問委員會報告指出「NIF 是『儲存與管理專案』（SSP）的關鍵部分因為它所創造的極端高溫高壓環境在地球上只有核爆能比擬，因此可以對未來核武研究有幫助。」

## 類似的專案

其他融合反應堆設計也可以在將來潛在的能量來源。一些類似的實驗專案有：

* DEMOnstration Power Plant（DEMO）
* High Power laser Energy Research facility（HiPER）
* 國際融合材料放射測試設施（IFMIF）
* 國際熱核融合實驗反應爐（ITER）
* 歐洲聯合環狀反應爐（JET）
* Tore Supra
* Laboratory for Laser Energetics (LLE).
* Laser Mégajoule（LMJ）
* 文德爾施泰因 7-X
* 磁化內襯慣性核融合（MagLIF）
* 國家點火設施 - 全景照片（Panorama）（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）聚變室外部照片。

## 參見

### 理論

* 核融合（Nuclear fusion）
* 磁融合能
* 融合反應
* 連鎖反應

### 廠商

* 豪雅 (日本)

### 其他核融合裝置

* 歐洲聯合環狀反應爐（JET）
* 國際熱核融合實驗反應爐（ITER）
* EAST 融合反應裝置
* JT-60SA 融合反應裝置
* KSTAR 融合反應裝置

## 參考文獻

## 外部連結

* How NIF Works\*（英文）國家點火設施網頁（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* NIF Director, Dr Ed Moses, on the progress of the facility, _Ingenia_ magazine, December 2007
* NIF project director Moses says facility is ready to go（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, SPIE Newsroom, March 23, 2009
* Inside Livermore Lab's Race to Invent Clean Energy（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Newsweek, November 14, 2009