核聚变理论和技术研究的探索者：洛斯·阿拉莫斯国家实验室（LANL）
核聚变理论和技术研究的探索者：洛斯·阿拉莫斯国家实验室（LANL）
洛斯·阿拉莫斯国家实验室（LANL）是美国最重要的科学和技术研发机构之一，特别是在核武器研发历史和国防技术方面占据重要地位。该实验室成立于1943年，现有员工超过12,000人，年预算约40亿美元。在核聚变研究领域，LANL主要围绕聚变理论与建模、诊断、材料、氚以及惯性聚变能量靶设计等方面开展研究。
图1：研究团队成员合影（从左至右：Matthew Chancey、Jon (Kevin) Baldwin、Jonathan Gigax、Saryu Fensin、Matheus Tunes、Osman El Atwani）
实验室概况
洛斯·阿拉莫斯国家实验室（LANL）成立于1943年，位于美国西南部的新墨西哥州，现为美国最重要的科学和技术研发机构之一，特别是在核武器研发历史和国防技术方面占据重要地位。LANL隶属于美国能源部，现有Triad National Security LLC(三合会国家安全有限责任公司)负责管理和运营，现有员工超过12,000人，年预算约40亿美元。
实验室首任主任，是美国曼哈顿计划的领导者、被誉为”原子弹之父“的罗伯特·奥本海默，曾于1943-1945年担任洛斯阿拉莫斯的首任主任。在他的带领下，实验室研制出世界上第一颗原子弹。
图2：罗伯特·奥本海默
研究领域
LANL自成立以来，一直肩负着维护核武器开发、维护国家安全的使命。作为美国能源部的下属国家实验室，LANL的研究领域涵盖了能源、环境、基础设施、健康和全球安全等诸多方面，具体包括：
- 信息、科学与技术(IST)：高性能计算与模拟、数据科学与机器学习、网络安全、量子信息科学。
- 核与粒子未来(NPF)：覆盖核武器设计与评估、基础粒子物理研究、核不扩散及核材料监控、天体物理学。
- 复杂自然和工程系统(CNES)：气候与地球系统、科学能源系统、生物系统与生态学、基础设施与安全。
- 材料科学(MFF)：先进材料设计与合成、纳米材料与纳米技术、量子材料、材料表征与模拟。
- 物质与核心研究(SOS)：传感技术、成像技术分析、化学与核探测。
- 武器科学(WS)：核武器物理、核武器工程、高能物理实验。
除上述6个主要研究方向外，LANL还运营着3个主要的用户设施，分别是集成纳米技术中心(CINT)、洛斯阿拉莫斯中子科学中心(LANSCE)和国家高磁场实验室 (NHMFL)。
在核聚变研究领域，LANL主要在围绕以下五个方面开展研究：
- 聚变理论与建模：全装置建模，磁流体力学(MHD)，粒子在细胞中(PIC)和Vlasov方程代码。
- 诊断：涵盖磁化和惯性聚变等离子体的核、粒子和光学诊断。
- 材料：理论与建模，高熵合金的全开发。
- 氚：TSTA(氚系统测试设备)历史数据，氢处理实验室，氚系统设计。
- 惯性聚变能量靶设计：独特的全直驱和间接驱动设计能力，用于快速点火的动粒子加速能力
实验室沿革
- 1943年，实验室最早的前身“Y Project”成立，作为曼哈顿计划下从事原子弹研究开发的机构。
- 1945年，正式以Los Alamos被公众知晓。
- 1945年，在奥本海默带领下，LANL成功研制了世界上第一颗原子弹。
- 1947年，正式更名为洛斯阿拉莫斯科学实验室 (LASL)。
- 1951年，LANL的科学家“Operation Greenhouse George”核试验中验证了核聚变能原理，首次在地球上产生聚变能。
- 1952年冬季，James Tuck领导了“Perhapsatron”项目建设，首次尝试使用Pinch方式实现聚变。
- 1952年11月1日，美国在太平洋上的埃内韦塔克环礁成功引爆了Ivy Mike(世界上第一个热核装置)，这标志着热核武器时代的开始。
- 1958年，第一次在热核聚变中产生中子。
- 1964年，Scylla IV的温度超过了4000万度，约束时间不到百万分之一秒。
- 1974年，LANL完成了Scyllac机器的开发，C代表闭合。
- 1975年，高能二氧化碳激光系统Antares投入使用，并于1985年结束运行。
- 1992年，美国宣布停止所有地下核试验。LANL因此开始推行“科学基础核武器保障计划”(Stockpile Stewardship Program)，利用高性能计算和实验手段确保核武器的安全性和可靠性。
聚变装置
- Scylla：世界上首个产生中子的热核聚变实验装置。
图3：Scylla实验装置
FRX-L(Field-Reversed Configuration Experiment-Los Alamos)：用于等离子体的生成、测试和诊断的场反位形装置。工作原理是：首先通过变压器耦合电流在石英管内的气体中生成低密度等离子体(通常用于测试的是非燃料气体)。这种方法将等离子体加热到大约200电子伏特(约230万摄氏度)。外部磁场将燃料限制在石英管内。由于等离子体具有导电性，从而允许电流通过，这种电流会产生一个与电流相互作用的磁场。等离子体被排列成在设定后磁场和电流能够稳定存在的状态，从而自我约束等离子体。FRX-L后来升级增加了一个喷射系统。这个系统位于石英管周围，由一组锥形排列的磁线圈组成。当通电时，线圈产生的磁场在管的一端较强，而另一端较弱，将等离子体推向较大的端口。
PLX(Plasma Liner Experiment)：即等离子衬里实验。实验使用排列在球体中的等离子枪发射电离气体，以压缩和加热预注入的聚变燃料目标等离子体。据悉，实验将于2024年结束。
图4：PLX实验装置