互动科普

一种称为Z机的装置开辟了使用强烈的纳秒X射线脉冲来引起受控聚变的新途径。

某些事情是永远不会改变的，对吧?到1978年时，聚变研究已经进行了几乎30年，但仍然只是在氢弹中实现了点火。不过，当时我在《科学美国人》杂志上声称，不出10年，实验室聚变的原理就将得到证明，而在取得了这一成就后，我们就可以着手建造聚变电站了(参看《科学美国人》1978年11月号上“用粒子束实现聚变发电”(Fusion Power with Particle Beams)文)。当时同现在一样，我们进行此研究的动机都是因为我们知道，一点儿液体重氢燃料就能够产生相当于20吨煤之多的能量。

如今研究人员对于聚变这一神圣目标已经苦苦追寻了将近50年。据他们说， “点火仍然是10年以后的事情”。七十年代的能源危机早已被忘却，而我们的支持者至少可以说是开始有点不耐烦了。两年多以前。我曾考虑过停止对桑迪亚国家实验室中的聚变研究的宣传(当时此研究中产生的能量仍然只有实现聚变点火所需能量的五十分之一)。但是自那以后，我们在使用一种称为。“Z机”(Zmachine)的新型装置产生高能X射线脉冲方面所取得的成就又使我恢复了这样的信心：实验室中的聚变点火或许真的可能在10年内实现。

氢弹证明我们能够使聚变发生。在氢弹中，原子裂变爆炸所发出的辐射起着扳机的作用，加热并压缩一个燃料容器，使其内的氢被点火并燃烧。这听起来似乎很简单，但是使聚变反应点火并燃烧意味着强迫两种形式的氢——即氘和氚——的核聚集在一起，让它们互相聚合而形成氦核，同时释放出巨大的能量。这一压缩过程必须是几乎完全对称的，使氢能均匀地被压缩到很高的密度。

在聚变研究的头几十年中，制造实验室类型的氢弹的前景看来十分渺茫，因此，控制聚变的研究工作主要依赖于磁约束的原理。所谓磁约束就是用一个强磁场把炽热的氘—氚等离子体捕集足够长的时间，使聚变得以发生。1991年，欧洲联合大环(Joint European Torus)通过这种方式实现了氘—氚聚变。随后普林斯顿大学的托卡马克聚变反应堆(Tokamak Fusion Test Reactor，缩写为Tli-IIR)也取得了相同的成果。下一步就是要建造“国际热核实验反应堆”(International Thermonuclear Experimental Reactor，缩写为ITER)，这是包括美国、欧洲、日本和俄罗斯四方的一个国际合作项目。然而，ITER的预计费用高昂，技术上困难重重，再加上各方为建造地点应选在何处争论不休，从而影响了工程设计阶段的进度。

早在七十年代初，洛斯阿拉莫斯实验室、劳伦斯利弗莫尔实验室和桑迪亚实验室的研究人员就把他们的注意力转向聚变的另一条途径。这条途径就是以氢弹为典型代表的惯性约束法，其原理是用辐射来压缩一个氢燃料丸。不过，氢弹依靠的是原子弹发出的辐射，而实验室中进行的首批惯性聚变尝试却使用强烈的激光或电子束来使燃料内爆。

当时认为的实现点火所需要的最低能量比我们现在所知道的实际能量值低得多。到1978年，正如我当时在《科学美国人》发表的文章中所指出的那样，估计的能量需求已经上升到在10纳秒的时间内把1百万焦耳的能量传送到一个胡椒子大小的燃料丸的外侧上——其功率为100万亿瓦(10瓦)，相当于把半打家庭在几个小时中所用的电力总量浓缩在远小于1秒的时间内。为了满足这一需求，桑迪亚实验室的研究人员以及苏联的科学家开始对一种称为脉冲功率的新技术进行研究。

在脉冲功率系统中，电能存储在电容器里，然后以短脉冲的形式放电。这些短脉冲还要在时间上进一步缩短以增强每一脉冲的功率，并在空间上加以压缩以提高功率密度。然后这些电磁能量脉冲被转换成强烈的带电粒子脉冲或用来驱动其它装置。相比之下，激光聚变系统则是以长得多的电腾冲开始的,这些电脉冲在墩光发射系统本身内被放大并成形。脉冲功率被认为是一个能替代激光器的相当不错的方案，因为它的效率已经得到证明,且成本较低。

此项技术是在1964年由英国原子能管理局开创的，六十年代中期由各国能源部和国防部资助，在苏联、英国和美国获得了发展。但这一方法输出的功率有限,使它在聚变竞赛中成了一匹黑马。它更被看好的用途是用来在实验室中模拟辐射对武器部件的影响。

1973年，美国和苏联均开始投资实施惯性约束聚变研究计划。美国的研究计划是在桑迪亚实验室(由本文作者领导)及其它一些国家实验室进行的，而苏联的研究计划则是在库尔恰托夫研究所进行的(由Leonid Rudakov领导)。自那以来，关于产生实现点火所需要的功率的技术以及关于点火条件本身，我们都已经获得了非常多的了解(无论是对激光器还是对脉冲功率)。在数十年中使用大功率激光器进行的经过仔细分析的实验改进并验证了设计燃料丸所用的计算机程序。这些模拟现在指出，为了使燃料点火，需要有将近500万亿瓦的功率，在三百万度的温度下使两百万焦耳，辐射能量在4纳秒的时内传送到燃料丸上。

激光器得以实现上述要求。在使用功率为30千焦耳的。Nova激光器进行了14年的研究后，劳伦斯利弗莫尔实验室现在正在建造一台功率大得多的激光器作为国家点火装置(NIF)的核心。如果成功的话，NIF从聚变反应中产生的能量将至少同激光器传送给燃料丸的能量一样多，但仍然远未达到产生出驱动激光器本身所需能量的程度(此能量为前一能量的数百倍之多)。要实现这一目标，聚变必须达到相当高的产率——也就是聚变的能量输出必须远远大于激光器的能量输入。NIF的下一步就是向高产率的目标迈进，但是现有的激光器技术成本太高昂，难于取得进展。

Z箍缩东山再起

就在几年前，尽管已经有了25年的努力，我们在桑迪亚实验室仍然远远未达到通过脉冲功率技术来实现聚变反应的目标。继续把这项工作进行下去的决定不是轻而易举就做出了的，但是我们坚韧不拔的努力最近终于得到了回报。举例来说，输出功率已经有了巨大的增长：脉冲功率在六十年代中期产生出的辐射为10亿瓦，而不久前我们在Z机上进行的实验中已经达到了290万亿瓦。我们相信，使用1000万亿瓦的辐射脉冲，我们能够实现高产率聚变反应，而现在我们已经达到了这个目标的三分之一左右了。

把高强度的能量集中在一个微小的燃料丸上所取得的进展也是同样重要的。七十年代我们最初用的是电子束，到八十年代则改用离子束，它应当把目标加热到更高的温度。但是带电粒子很难操纵，而且很难紧密聚焦成束。X射线原则上具有一些极有发展前途的特性：它能够均匀地充满燃料容器周围的空间，就像烘炉内的热量均匀地包绕着一只烤火鸡一样。对于所谓Z箍缩(Z—pinch)这一设想所进行的研究，现在已经产生出这样一种前景，即利用脉冲功率系统在一个小小的反应室内产生强烈的X射线脉冲，从而引起聚变反应。z箍缩这种概念可以追溯到五十年代磁约束聚变反应研究之初。

最初的Z箍缩实际上是尝试让强电流通过氘气体而引起聚变。电流使气体电离，同时产生一个磁场把气体电离后产生的等离子体沿着电流路径(通常用Z轴表示)“箍紧”到高温和高密度状态。但是事实证明这一方法不能均匀地压缩等离子体：流体的不稳定性导致等离子体被分解成一些团块，从而使Z箍缩不适于支持聚变。然而，等离子体被压缩后也产生X射线，其能量高达一千电子伏特。30年来，在美国、英国和苏联进行的Z箍缩研究，主要是研究如何优化能量为千电子伏特以下的X射线的输出，用这些X射线来测试材料和电子元件．对核武器的辐射的反应。

现在研究人员又重新开始把Z箍缩作为一种引起惯性聚变的方法。过去3年来，我们已经证明，把快速脉冲功率和Z箍缩各自的优点结合起来(前者效率高、成本低，后者则是一种简单而高效的辐射源)，我们将可以通过用千电子伏特以下的X射线压缩聚变燃料丸而实现点火。此外，脉冲功率X射线源的低廉费用将使我们能够更前进一步，实现燃料的有效燃烧并获得高产率。

为了引起聚变，Z箍缩必须被封闭在一个辐射室内。该辐射室将X射线捕集在其中。我们研究过的一个系统是把Z箍缩置于初级空腔内，而燃料则放在一个较小的次级空腔内。另一种方法则是把燃料丸置于初级空腔中内爆箍缩中心处的低密度塑料泡沫上。关键在于，当箍缩内爆时（无论是内爆到Z轴上还是内爆到泡沫上)，它所产生的X射线被空腔所约束，这样X射线就均匀地照射在燃料丸上，正如氢弹的外壳把引爆用的原子弹发出的辐射捕集起来一样。过去3年中的实验表明，上述两种方法都是有效的，因为我们现在能够使Z箍缩在足够长的时间中保持均匀和完整以完成其任务。

发现奥秘

与进展缓慢的漫长的研究初期相比，现在有些什么不同呢？托马斯·爱迪生尝试了上千种材料后才发现了灯泡的奥秘与之相似，我们也发现了在Z箍缩的不稳定性破坏其几何构形之前就以短促X射线脉冲的形式迅速地把能量提取出来，可以大大降低Z箍缩的不稳定性。事实上，箍缩的能量在转换为等离子体的快速的小尺度运动之前被提取出来了。

把醋小心地倒在密度较低的色拉油上时，由于不稳定性，这层醋将不规则地沉降到瓶底。影响箍缩的不稳定性与这种不稳定性实际上是相同的。这种不稳定性在摇动瓶子时对色拉菜是有益的，但对于实现聚变来说却是一个障碍。然而，根据洛斯阿拉莫斯实验室的Darrell Peterson和桑迪亚实验室的Melissa R．Douglas所作的计算机模拟我们得知，初始的等离子体越均匀，那么当箍缩静止在轴上并产生X射线时它就越均匀并有规律。

研究人员曾尝试过许多方法来使等离子体更均匀(例如用薄金属壳或空心的气团来传导电流)，但没有一种方法是很成功的1995年，Thomas W．L．Sanford以及随后是Christopher Deeney和Rick B. Spielman在桑迪亚实验室取得了突破性进展——Sanford使用许多细招丝、而Deeney和Spielman则使用多达400根细钨丝取得了需要的均匀度。金属丝阵列最初是在七十年代后期由物理国际公司——这家私营公司致力于产生X射线作为实验室中检测辐射影响的一种辐射源——提出的，用于增3虽1千到5千电子伏特的X射线的能量输出。但是当时可供使用的低电流加速器无法传送足够大的电功率使许多细金属丝内爆。

在1995年的实验以后，桑迪亚实验室的Barry M. Marde提出，关键在于要适当布置大量的金属丝，使得这些金属丝在有电流通过而发生爆炸时，会融合在一起而形成一个近乎均匀的、内爆的等离子体圆柱壳。随后在桑迪亚实验室进行的实验证明，在整个圆柱壳内爆到置于Z轴上的一个泡沫圆柱体上后，产生了所需要的炽热中心核。此外,在康内尔大学进行的实验也表明，正如Marder的模拟所指出的那样，每根金属丝可能不会很早就完全转变成等离子体。每根金属丝可能有一个冷的核心继续留下来，其周围被夸离子体包绕着，使电流能继续一段时间，从而提高箍缩的效率。

这些突破性成果是3年前在桑迪亚实验室的一千万安培土星加速器上开始涌现出来的，而在1996年10月以后，则是在2千万安培的Z机上继续取得成果。Z机现在产生的X射线脉冲是世界上功率最强、能量最高的此类脉冲。在典型的实验中，我们在几纳秒的时间内产生出两百万焦耳的X射线，其功率在200万亿瓦以上。

在始于1997年11月的一系列实验中，我们使用一种双重嵌套的金属丝阵列，把X射线的功率提高了45%，达到290万亿瓦。电流使外层阵列的金属丝汽化，磁场则把汽化后的材料向内推进。速度较快的部分在碰到内层阵列后其速度便放慢,使速度较慢的部分能够追上来，并把材料推人内层阵列中。这种几何配置降低了内爆的不稳定性，当蒸发物质在Z轴上碰撞时，它们便产生出一股比单一阵列所能产生的更短促的X射线脉冲。嵌套阵列已产生出180万度的辐射温度。

在Z机上进行的其它实验中(这些实验由劳伦斯利弗莫尔实验室的Arthur Toor领导)，布置在单一阵列内部的围绕着一根铍管的泡沫层产生了速度较慢但更均匀对称的Z箍缩等离子体内爆，同样提髙了空腔内的温度。从Z箍缩中获得40万亿瓦的X射线功率花了40年的时间。而现在，仅在过去3年中，我们便大大接近了使X射线的功率达到1000万亿瓦、能量达到1600万焦耳的最终目标，这一功率和能量将产生实现高产率聚变反应所需要的3百万度的空腔内温度。我们知道，脉冲功率方案的效率应当比激光聚变方案高，而其费用则比后者低，事实上，我们的Z加速器现在产生的总的X射线能量输出等于其输人电能的15%；而对于劳伦斯利弗莫尔实验室的Nova激光器，这一效率仅为0.1。设计上的改进有可能使国家点火装置的效率提高到0.5，但是激光过程的固有的低效率将使这类装置难于达到更高的效率。

最后的3倍

这些强烈的X射线脉冲有多方面的用途。借助于Z机而达到的X射线能量和功率，已经使研究人员能够在以前只能通过地下核爆炸实现的密度和温度下对材料性质进行实验室测量并对辐射输运进行研究。这些实验室中进行的实验以及高电流装置所能实现的聚变产率，是能源部武器储备管理计划的一部分，该计划的任务是确保当美国将来需要使用核武器时这些老化的武器仍然安全可靠。

强烈的X射线脉冲甚至具有天体物理学方面的用途，因为以Z机为动力的X射线源所产生的等离子体类似于恒星最外层的等离子体。借助于劳伦斯利弗莫尔实验室的Paul T．Springer1996年在土星加速器上进行的Z箍缩实验中所获得的数据，天文学家们现在对一类脉动的恒星——造父变星的光输出已经有了更深入的认识。我们期望其它资料将会逐步揭开超新星之类的恒星事件之谜。实验室等离子体研究也开辟了对原子物理学和X射线激光器进行新研究的前景。

作为一种X射线源，Z箍缩的效率和可重复性都是非常引人注目的。反复的实验都得出了相同程度的X射线能量与功率，即使我们不能详细预测将会发生的情况。我们能够预测的是规模：每当我们使电流强度翻一番时，X射线的能量就增加到4倍，即遵循简单的平方律。正如理论上对热辐射所预期的那样，箍缩温度的增加与电流的平方根成正比。如果这一物理规律成立，那么电流再增加到3倍——达到6千万安培——将使我们能够达到引起聚变反应所需要的能量、功率和温度，并实现高产率。

在进行这下一步之前必须先解决哪些问题呢?第一个问题是，我们能不能使其强度增加到原先的3倍的电流进入同一个容器中。在Z箍缩中，功率能够高度集中于微小空腔内的原因是将近30年前在库尔恰托夫研究所、物理国际公司和桑迪亚实验室发现的。

50万亿瓦的功率被送人金属丝和空腔壁之间的微小空间中，其功率密度达到每平方厘米25万亿瓦。如果我们使功率增加到150万亿瓦(在6千万安培的电流强度下)，则功率密度将增加到每平方厘米75万亿瓦。这一增加将带来若干新问题,因为金属壁上的物质压力将上升到150万到300万个大气压。其它问题包括:在电流强度为2千万安培时所达到的X射线转换效率（15%)能否继续保持，不稳定性是否会继续受到控制，以及我们是否能使射到燃料丸上的辐射脉冲达到计算机计算指出它们必须具备的对称性及形状。

另一个重要步骤是开发按比例预测复杂物理过程的预测模型。现今的二维模拟使我们对箍缩的物理学获得了大量的深刻认识，但是，即使限制在二维范围内，模拟也需要极大的计算能力。对箍缩的完整的三维磁性质、液体动力学性质和辐射性质进行模拟，已经超出了我们现有的计算能力以外。但是，高性能计算、以及X射线成像诊断学等领域取得的进展正在迅速地赶上我们在辐射功率上取得的进展。1998年，我们一直在以每秒1.8万亿次浮点运算(乘法或除法>的速率(1.8teraflops)运行Janus计算机。桑迪亚实验室和洛斯阿拉莫斯实验室的同事们正在开发一个模拟箍缩的物理学以及模拟向燃料丸的辐射输运过程的计算机模型。我们预计，随着这些工具在新一代超级计算机上的出现,我们在开发聚变Z箍缩方面的迅速进展将会持续下去。

在桑迪亚实验室我们现在希望开始规划下一个重大步骤。3月底我们向能源部提出申请,要求能源部批准桑迪亚实验室开始对Z机的后继者——X-1机进行概念设计。X-1机将使我们获得1600万焦耳的辐射能量，而且我们相信它也将使我们获得更高的产率。现在要报出X-1机的造价还为时过早，但我们预计其费用将为4亿美元左右。必须记住，Z、X-1和NIF等仍然是研究工具。Z机可能已达到了聚变条件;NIF应当实现点火;而依'靠NIF的经验建造起来的X-1应当达到高产率。但是，预计这些实验中的任何一个都不会成为商业电源。

正如Yogi Berra指出的，“很难作出预测，特别是对于未来。”但是，如果我们能立即开始着手下一个重大步骤的设计与建造工作，我们的确认为我们能够在10年内完成这一任务。