法国超冷激光核试验实验室内部

1996 年 1 月 27 日，法国进行了第 210 次也是最后一次实弹核试验 Xouthos，在南太平洋的方加陶法泻湖下引爆了一枚热核弹头。这次试验的当量为 20 至 120 千吨 TNT，可能比美国 1945 年投在广岛的原子弹爆炸力强 8 倍。Xouthos 标志着法国核试验的结束，但并不意味着其核储备维护的结束。为了确保该国的弹头正常运行，法国正在与美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室合作开发超冷激光点火测试设施。

其他八个国家也拥有核武器：美国、俄罗斯、英国、法国、中国、以色列、印度和巴基斯坦。在 21 世纪，只有朝鲜进行了实弹试验。对于其他国家来说，在没有实弹试验的情况下维护和维持核弹头是一项工程挑战。管理这一挑战的一种方法是通过计算机建模，这让核实验室能够改进弹头设计并研究新型弹头翻新。

但测试弹头的实际裂变材料（钚核周围凝结的气体，直到引发核裂变反应）意味着观察实际材料本身，并观察其在高密度和高热条件下的行为。劳伦斯·利弗莫尔将一种在低温下用激光测试核材料的过程描述为“低温靶系统”，该系统在国家点火装置中运行。理论上，该系统将使他们能够通过在实验室条件下产生真实但暂时的聚变能量，了解核燃料在高能量密度条件下的行为。

国家点火装置于 2010 年开始运行。当年美国国家核安全局的预算申请将该项目描述为“提供科学依据，以评估国家核武器的安全性、保障性和可靠性，而无需进行核试验”。为了实现这一目标，“基于科学的武器评估和认证要求这些先进的实验工具能够在接近核爆炸中高能量密度 (HED) 环境的极端条件下创造和研究物质。”

热核爆炸非常热，第一阶段裂变反应温度超过 1 亿开尔文。热核爆炸密度也很高：热核弹头的常规非核部件利用爆炸力将钚压缩成更紧密的形式，周围是重氢、氘和氚组成的气体。

实现这一密度的另一种方法是将氘氚小球冷却至 18.5 开尔文（或 -426 华氏度）。冷却是“低温靶系统”的“低温”部分，小球则是靶。在这些测试中，点火能量不是像实际弹头那样向内爆炸的钚球，而是由高能激光束提供。

在国家点火装置中，这一过程通过 192 束激光完成，这些激光束将 1.92 兆焦耳的能量聚焦在单个过冷氘氚颗粒上。通过聚变释放的能量类似于恒星的能量，尽管寿命要短得多。法国的国家点火装置的对应装置“将使用 176 束激光将超过 1 兆焦耳的紫外激光能量聚焦在包含部分冻结的氢同位素氘氚混合物的微小目标上。​​”

尽管核聚变研究经常被推广和视为实现可行聚变反应堆发电的途径，但它本质上是一种武器评估和研究工具，附带有科学研究的潜力。

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“NIF 的设计目标是产生极高的温度和压力——数千万度的温度和比地球大气层高出数十亿倍的压力，”实验室的解释写道。“这些条件目前只存在于恒星和行星的核心以及核武器中。”

当这些条件在实验室中存在时，它们只会持续很短的时间。“在 ICF 实验的几十亿分之一秒内，[国家点火装置] 的 192 台激光器复制了恒星和行星内部以及引爆核爆炸物时的温度、密度和压力，”该实验室 2019 年的一份报告称。这仍然足够研究人员研究这些条件对相关材料的影响，这对于库存管理至关重要。“每年大约有 15 次实验旨在研究材料的状态方程”，或者对材料如何处理核反应条件进行数学建模。

虽然国家点火装置已运行近 12 年，但最接近产生能量聚变的一次试验是在 2021 年 8 月 8 日进行的。那次试验点燃了近乎冻结的球粒，产生了 1.35 兆焦耳的能量，标志着激光能量转化为反应的比率接近 70%。

该实验室在二月份的一份声明中表示：“对于库存管理计划来说，这次创纪录的发射提供了接触新高能密度等离子体的机会，以测试和验证实验室的核武器相关模拟代码。[国家点火装置]对聚变点火及其随后的热核燃烧进行实验研究，这为现代核武器提供了巨大的能量。”

创造核聚变条件而不直接引爆核弹头的工作仍在进行中。通过与法国替代能源和原子能委员会合作，国家实验室确保两国都能从平行和合作研究中受益。与恢复现场核试验的替代方案相比，在受控实验室环境中解决硬物理问题是一个小挑战，相对于恢复国际军备竞赛的地缘政治风险而言。