# 激光聚变点火

拉普拉斯的迷你世界 · 图版 F32 · 能源、航天与探测 · 能源

> 激光聚变不用磁场关住燃料，而是在几纳秒里把它压缩、点燃，燃料来不及散开就烧完了。这里是美国国家点火装置（NIF）的靶室，1:8，和它的靶，100:1。

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- 更新于：2026-10-21

## 01 能量多过激光

2022 年 12 月 5 日凌晨 1 点 03 分，NIF 把 2.05 兆焦的紫外激光送到靶上，测得的聚变能是 3.15 兆焦。聚变放出的能量第一次超过了送到靶上的激光能量，靶增益约 1.5。同行评审的论文给出的是 3.1 ± 0.16 兆焦。

这一发放出约 1.1 × 10¹⁸ 个中子，每个中子来自一次氘氚聚变。美国国家科学院 1997 年把“点火”定为增益大于 1，NIF 用的就是这个定义。2021 年 8 月 8 日的一发已经满足劳森判据意义上的点火，放出约 1.3 兆焦，但增益还不到 1。

*激光 2.05 MJ → 聚变 3.15 MJ · 靶增益约 1.5 · 2022 年 12 月 5 日*

## 02 从电网算起

2.05 兆焦只是送到靶上的激光。为了这一发，NIF 先用 60 秒把约 400 兆焦的电能存进 3840 个电容器，再在 400 微秒里放给 7680 支闪光灯。闪光灯泵浦放大器，放大出约 4 兆焦红外光，转成紫外光后约剩 2 兆焦。燃料丸吸收约 258 千焦，真正进入燃料的约 19.4 千焦。

这约 400 兆焦都来自电网，约为送到靶上的激光能量的 200 倍。这一发放出的 3.15 兆焦，还不到它的百分之一。NIF 每年打约 400 发。发电厂要每秒点燃约 10 个靶；即使只是一座不从电网净取电的试验装置，靶增益也要接近 15。

*电容器 ≈ 400 MJ → 激光 2.05 MJ → 燃料 19.4 kJ → 聚变 3.15 MJ · 不到电网取用的 1%*

## 03 像火箭一样向内

燃料丸是一个金刚石空心球，内壁冻着一层氘氚冰。X 射线把金刚石的外层加热成等离子体，它向外喷出，反冲把剩下的球壳往里推，就像火箭喷气。大部分金刚石在途中被烧蚀掉。

球壳在几纳秒里加速到每秒 380 到 400 公里，把冰冷的燃料压缩到原来密度的 1000 到 2000 倍。图中的半径和速度来自页面的薄壳模型：它按火箭原理计算，几个常数调到与论文给出的速度、时刻和大小相符。托卡马克用磁场把稀薄的燃料关上很久；这里的燃料只靠自己的惯性聚在一起几十皮秒，所以叫惯性约束。

*内爆速度 380–400 km/s · 燃料压缩 1000–2000 倍（N221204）· 页面模型峰值约 384 km/s*

## 04 先把光变成 X 射线

激光并不直接照燃料丸。光束从上下两端的入射孔射进一个金色的小圆筒，叫黑腔。光打在内壁上，把壁加热到约 300 电子伏，也就是三百多万度。热壁发出 X 射线，充满整个腔，从四面八方比较均匀地照在燃料丸上。

N221204 的黑腔直径 6.4 毫米、长 11.24 毫米，壁是贫铀，内衬一层金，里面充着每立方厘米 0.3 毫克的氦；入射孔在 2021 年的设计里从 3.65 毫米缩小到了 3.1 毫米。内圈锥的光落在腰部附近，外圈锥的光落在两端附近。把两组光束的波长错开一点（这一发差 2.75 埃），能量会在光束交叉处从一组转到另一组，用来把压缩调匀。

*黑腔 6.4 × 11.24 mm · 约 300 eV（N221204 峰值 313 eV）· 燃料丸吸收约 258 kJ*

## 05 自己烧起来的热斑

激光开始后约 9.5 纳秒，球壳停住，中心被压成一个几十微米大的热斑：约 13 千电子伏，即一亿五千万度，压强约 6000 亿个大气压。氘和氚在这里聚变，每次放出一个 14.1 MeV 的中子和一个 3.5 MeV 的 α 粒子。

中子几乎都飞走了，α 粒子却走不远：热斑的面密度约 0.44 克每平方厘米，超过了 α 粒子在 10 千电子伏时的射程，约 0.3。α 粒子把能量留在热斑里，热斑更热，反应更快。2020 年底到 2021 年初的几次实验里，这种自加热第一次超过了压缩所做的功，称为“燃烧等离子体”。2022 年 12 月这一发，燃烧持续约 75 皮秒，烧掉约 4.3% 的燃料。

*热斑 13.1 keV · 608 Gbar · 面密度 0.44 g/cm² · 燃烧约 75 ps · 燃耗 4.3%（N221204）*

## 06 剖开：十米的靶室

靶室是一个直径 10 米的铝球，用 10 厘米厚的铝板拼成，重 287,000 磅，约 130 吨。外面盖着 0.3 米掺硼的混凝土，吸收聚变放出的中子。它在 1999 年 6 月 17 日吊装就位，实验时里面是真空。

48 个光束口上各装一套终端光学组件。三台诊断仪器操纵器从顶部和腰部把仪器送近靶心；7 米长的靶定位器把靶送到正中，并让它保持在约 18 开。模型按 1:8，朝向这一面从顶上到赤道稍下切掉了一块；小人高 1.75 米。

*直径 10 m · 铝 10 cm · 掺硼混凝土 0.3 m · 约 130 t · 模型 1:8*

## 07 192 束光，四个锥

192 束光每 4 束一组，从 48 个光口进入靶室，上半球 24 组，下半球 24 组。光口排在与竖直方向成 23.5°、30°、44.5° 和 50° 的四个锥上：前两个是内圈锥，共 64 束；后两个是外圈锥，共 128 束。

每束光从产生到靶约走 1500 米。2022 年 12 月那一发，各束光到达的时刻相差在 30 皮秒以内，指向误差在 50 微米以内。紫外光看不见，图中画成紫色；切掉那一块里的光束没有画。

*48 组 × 4 束 · 内圈锥 23.5° / 30° · 外圈锥 44.5° / 50°*

## 08 从纳焦到兆焦

每一发从主振荡器开始：一台光纤激光器发出只有几纳焦的脉冲，脉冲的形状这时就定好了。48 个前置放大模块把它放大到每束约 1 焦，送进两座各长 122 米的激光大厅。

放大器里有 3072 块掺钕的磷酸盐玻璃板，每束 16 块，由 7680 支闪光灯泵浦。一个等离子体电极普克尔斯盒当作光开关，让光在主放大器里来回走四趟，再在功率放大器里走两趟。每束出来超过 2 万焦，总共放大了一千万亿倍以上。开关场里的反射镜再把光分到靶室的上下两半。

*几 nJ → 每束约 1 J → 每束超过 20 kJ（1053 nm）· 3072 块玻璃 · 7680 支闪光灯 · 放大超过 10¹⁵ 倍*

## 09 红外变紫外

放大器出来的是波长 1053 纳米的红外光。靶室上的终端光学组件里，第一块 KDP 晶体把其中约三分之二变成 527 纳米的绿光，第二块 DKDP 晶体再把绿光和剩下的红外光合成 351 纳米的紫外光。

设计上的峰值转换效率是 85%，但整形的脉冲里有很长的低功率段，转换得差：一发下来，约 4 兆焦的红外光变成约 2 兆焦的紫外光。紫外光在黑腔里产生的热电子少，热电子会提前加热燃料。晶体后面是略带楔角的聚焦透镜，焦距 7.7 米，把残留的红外光和绿光从焦点分开；最后是防碎片板。

*1053 nm → 527 nm → 351 nm · KDP + DKDP · 一发约 4 MJ 红外 → 2 MJ 紫外 · 48 套组件*

## 10 一个金色的小圆筒

靶在这里放大了 100 倍。黑腔两端的入射孔上各盖着一层薄膜，把氦气封在里面。它套在铝制的热力–机械组件里，组件上连着硅热沉；低温靶定位器把它冷却到约 18 开，温度稳定在千分之一度以内。

燃料丸挂在黑腔正中，夹在两层 45 纳米厚的 Formvar 薄膜之间，这两层膜叫“帐篷”。一根 2 微米粗的充气管从侧面通进燃料丸，氘氚由它充进去。

*模型 100:1 · 黑腔 6.4 × 11.24 mm · 约 18 K · 帐篷膜 45 nm · 充气管 2 μm*

## 11 比胡椒粒还小

燃料丸的壳是纳米晶金刚石，也叫高密度碳：内半径 1050 微米，厚约 85 微米，重 4.25 毫克。壳里埋着一层 15 微米厚、掺了约 0.6% 钨原子的金刚石，挡住会提前加热燃料的 X 射线。

壳的内壁冻着 64.5 微米厚的氘氚冰，共 220 微克，中间是氘氚蒸气。冰保持在约 18 开，略低于氘氚的三相点，约 19.8 开。壳面要光滑到接近 1 纳米；2022 年的壳，表面凹坑和内部空洞比 2021 年的少了一个数量级。

*金刚石壳约 85 μm · 掺钨层 15 μm · 氘氚冰 64.5 μm（220 μg）· 约 18 K*

## 12 之后的十次

到 2026 年 6 月，NIF 已经 11 次实现点火。2023 年 7 月 30 日，同样 2.05 兆焦的激光得到 3.88 兆焦；2023 年 10 月起，打到点火靶上的激光提到 2.2 兆焦。2025 年 4 月 7 日，2.08 兆焦的激光得到 8.6 兆焦，靶增益 4.13，是目前的纪录。最近一次在 2026 年 6 月 20 日，7.9 兆焦，增益约 3.8。

2026 年 4 月，把激光能量从 2.2 兆焦提到 2.6 兆焦的升级项目通过了概念设计审批。这些增益都按送到靶上的激光计算，不含从电网到激光的损耗。

*11 次点火（到 2026 年 6 月）· 纪录 8.6 MJ / 2.08 MJ，增益 4.13（2025 年 4 月 7 日）*

## 13 拆开来看

终端光学组件和光管沿各自的光口退出，诊断仪器操纵器和靶定位器沿各自的轴退出，铝球和支柱留在原处。

指针停在哪一件上，它就被单独托出来，其余的变淡；不动时，各件都标出名字。

## 14 一纳秒一纳秒

拉杆是时间，从激光开始算起，到约 11 纳秒。读数是那一刻的激光功率、燃料内表面的半径、球壳的速度和所处的阶段。

先是低功率的“脚”，几道冲击波穿过壳和冰；然后是主脉冲，约 440 太瓦，球壳加速向内。激光停了以后，球壳靠惯性再飞约 0.8 纳秒；停住时中心形成热斑、点燃，几十皮秒后燃料四散。曲线来自页面的薄壳模型。

**试一试**：把拉杆拖到 9.53 纳秒前后：燃料内表面的半径最小到多少？那一刻球壳的速度是多少，为什么？

## 模型省略了什么

靶室按劳伦斯利弗莫尔国家实验室公布的尺寸做，1:8：10 米的铝球、10 厘米的铝壁、0.3 米的混凝土，48 个光束口在四个锥角上。各锥里光口的方位角是等间距画的，下半球整体转了 22.5°，与真实的端口表不同；诊断口的位置和大小、终端光学组件的外形、诊断仪器操纵器和靶定位器的外壳都是示意的；光管在模型边上截断，画成径向的（真实的光管经开关场的反射镜拐进来）；靶室下的支柱是示意的，真实的靶室装在靶厅的结构上。光束画成紫色细杆，从光口直指入射孔的中心；切掉那一块里的光束只在靶的模型里画了。靶按 100:1：黑腔的壁实际只有几十微米，画厚了；充气管画粗了约 15 倍，帐篷膜画得看得见，硅热沉的形状按 2007 年的设计描述示意。内爆曲线来自一个薄壳模型：烧蚀压力把球壳往里推，同时按火箭方程带走质量，中心的气体按绝热压缩把球壳停住；压力取激光功率的 1.81 次方、滞后 0.25 纳秒，几个常数调到峰值速度约 384 千米每秒、在 9.53 纳秒停在 40 微米，与论文给出的内爆速度、聚变峰值时刻和热斑大小相符。它不计冲击波、辐射的输运和流体不稳定性；停住以后的反弹来自模型里气体的弹性，只是示意燃料四散。激光脉冲的形状是示意的，只有总能量 2.05 兆焦和峰值功率 440 太瓦按论文。燃料的压缩倍数按半径的 2.25 次方画，停住时约 1350 倍，在论文的 1000 到 2000 倍之内。热斑图里 α 粒子的射程与热斑半径之比，是页面用两个面密度（0.3 和 0.44）算的。

## 几个常见的误解

“点火”在这里指靶增益大于 1：聚变能多于送到靶上的激光能，不是整座装置净产出能量。NIF 每发从电网取约 400 兆焦，约是激光能量的 200 倍，放出的聚变能不到它的百分之一，也没有用来发电。3.15 兆焦本身也不多，约等于一把 2 千瓦的电水壶烧 26 分钟。激光并不直接照在燃料上：在这种间接驱动里，激光加热黑腔，黑腔的 X 射线再去压缩燃料丸。紫外光和红外光都看不见，图中的颜色是画上去的。托卡马克的 Q 比较的是聚变功率和加热功率，和这里的靶增益不是同一个量，不能直接比。聚变也不会失控：每发只有约 0.2 毫克燃料，燃烧在约 75 皮秒内就结束了。

## 常见问题

### 国家点火装置第一次点火是什么时候？

2022 年 12 月 5 日凌晨 1 点 03 分，NIF 把 2.05 兆焦的紫外激光送到靶上，测得的聚变能是 3.15 兆焦。

见：[01 能量多过激光](https://world.lapla.si/zh/nif/#gain)

### NIF 打一发要用多少电？

为了这一发，NIF 先用 60 秒把约 400 兆焦的电能存进 3840 个电容器，再在 400 微秒里放给 7680 支闪光灯。

见：[02 从电网算起](https://world.lapla.si/zh/nif/#grid)

### 激光聚变为什么要用黑腔？

热壁发出 X 射线，充满整个腔，从四面八方比较均匀地照在燃料丸上。

见：[04 先把光变成 X 射线](https://world.lapla.si/zh/nif/#xrays)

### 激光聚变的热斑有多热？

激光开始后约 9.5 纳秒，球壳停住，中心被压成一个几十微米大的热斑：约 13 千电子伏，即一亿五千万度，压强约 6000 亿个大气压。

见：[05 自己烧起来的热斑](https://world.lapla.si/zh/nif/#burn)

### NIF 的聚变能纪录是多少？

2025 年 4 月 7 日，2.08 兆焦的激光得到 8.6 兆焦，靶增益 4.13，是目前的纪录。

见：[12 之后的十次](https://world.lapla.si/zh/nif/#since)

## 资料来源

1. [劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）：Achieving Fusion Ignition（11 次点火的日期、激光能量、聚变能和增益）](https://lmf.llnl.gov/science/achieving-fusion-ignition)
2. [美国能源部：2022 年 12 月新闻稿（2.05 MJ → 3.15 MJ）](https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition)
3. [LLNL：Star Power（2022 年 12 月 5 日凌晨 1 点 03 分）](https://lmf.llnl.gov/news/star-power-blazing-path-fusion-ignition)
4. [LLNL：Laser Focused（30 皮秒、50 微米；约 8 纳秒的脉冲）](https://lmf.llnl.gov/news/laser-focused-power-finesse-drove-nifs-fusion-ignition-success)
5. [H. Abu-Shawareb 等 (2024)：Achievement of Target Gain Larger than Unity in an Inertial Fusion Experiment，PRL 132, 065102（3.1 ± 0.16 MJ，增益 1.5；440 TW；1.12 × 10¹⁸ 个中子；黑腔 6.4 × 11.24 mm，贫铀衬金，氦 0.3 mg/cc，入射孔 3.1 mm；金刚石壳 4.25 mg，掺钨层，冰 64.5 μm、220 μg；帐篷膜 45 nm，充气管 2 μm；380–400 km/s，压缩 1000–2000 倍；表 I：13.1 keV、608 Gbar、0.44 g/cm²、75 ps、燃耗 4.33%、惯性飞行 0.78 ns；国家科学院的点火定义）](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.065102)
6. [O. A. Hurricane 等 (2024)：Energy Principles of Scientific Breakeven in an Inertial Fusion Experiment，PRL 132, 065103（燃料丸吸收 258 kJ，进入燃料 19.4 kJ）](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.065103)
7. [A. L. Kritcher 等 (2024)：Design of the first fusion experiment to achieve target energy gain G > 1，PRE 109, 025204（内半径 1050 μm、厚约 85 μm；聚变峰值 9.53 ns；波长错开 2.75 Å）](https://doi.org/10.1103/PhysRevE.109.025204)
8. [A. Pak 等 (2024)：Observations and properties of the first laboratory fusion experiment to exceed a target gain of unity，PRE 109, 025203](https://doi.org/10.1103/PhysRevE.109.025203)
9. [H. Abu-Shawareb 等 (2022)：Lawson Criterion for Ignition Exceeded in an Inertial Fusion Experiment，PRL 129, 075001（2021 年 8 月 8 日）](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.075001)
10. [A. B. Zylstra 等 (2022)：Burning plasma achieved in inertial fusion，Nature 601, 542](https://doi.org/10.1038/s41586-021-04281-w)
11. [J. D. Lindl 等 (2004)：The physics basis for ignition using indirect-drive targets on the National Ignition Facility，Phys. Plasmas 11, 339（α 粒子射程约 0.3 g/cm²）](https://doi.org/10.1063/1.1578638)
12. [LLNL：Target Chamber（10 m、10 cm 铝、0.3 m 掺硼混凝土、7 m 定位器、约 18 K）](https://lmf.llnl.gov/about/how-nif-works/target-chamber)
13. [LLNL：Chamber Geometry（48 个光口，四个锥角，内圈锥与外圈锥）](https://lmf.llnl.gov/for-users/experimental-capabilities/chamber-geometry)
14. [LLNL：Power Conditioning System（约 400 MJ、3840 个电容器、60 秒、400 微秒）](https://lmf.llnl.gov/about/how-nif-works/power-conditioning-system)
15. [LLNL：How NIF Works（约 1500 m；放大一千万亿倍以上；4 MJ 红外 → 2 MJ 紫外）](https://lmf.llnl.gov/about/how-nif-works)
16. [LLNL：Amplifiers（3072 块玻璃板，每束 16 块；7680 支闪光灯；1053 nm）](https://lmf.llnl.gov/about/how-nif-works/amplifiers)
17. [LLNL：Injection Laser System（光纤主振荡器，几纳焦；48 个前置放大模块）](https://lmf.llnl.gov/about/how-nif-works/injection-laser-system)
18. [LLNL：Beam Transport（主放大器四趟、功率放大器两趟；122 米的激光大厅；开关场）](https://lmf.llnl.gov/about/how-nif-works/beam-transport)
19. [LLNL：Final Optics（48 套终端光学组件；第一块晶体转换三分之二；351 nm）](https://lmf.llnl.gov/about/how-nif-works/final-optics)
20. [LLNL：Rapid-Growth Crystals（KDP 与 DKDP）](https://lmf.llnl.gov/about/seven-wonders/rapid-growth-crystals)
21. [LLNL：Target Fabrication（光滑到接近 1 纳米）](https://lmf.llnl.gov/about/seven-wonders/target-fabrication)
22. [LLNL：Building NIF（287,000 磅；1999 年 6 月 17 日吊装）](https://lmf.llnl.gov/about/keys-to-success/legacy-of-lasers/building-nif)
23. [LLNL：Efficiency Improvements（每年约 400 发）](https://lmf.llnl.gov/about/keys-to-success/efficiency-improvements)
24. [LLNL：FAQ（比胡椒粒还小）](https://lmf.llnl.gov/about/faqs)
25. [NIF User Guide（三台诊断仪器操纵器；每束超过 20 kJ；7.7 m 透镜，楔形）](https://nifuserguide.llnl.gov/)
26. [Spaeth 等，LLNL (2016)：National Ignition Facility Laser System Performance，Fusion Sci. Technol.（从电网取约 400 MJ；两发之间少于 8 小时）](https://www.osti.gov/pages/servlets/purl/1259761)
27. [LLNL：IFE-STAR（发电厂每秒约 10 次；不净取电的试验装置增益接近 15）](https://www.llnl.gov/article/52906/llnl-experts-foster-national-fusion-energy-ecosystem-ife-star-conference)
28. [LLNL：2026 年 4 月新闻稿（2.2 → 2.6 MJ 的升级）](https://lmf.llnl.gov/news/nnsa-llnl-advance-laser-upgrade-nuclear-stockpile-mission-ahead-schedule)
29. [Atherton 等，LLNL (1999)：NIF 的频率转换（KDP 与 DKDP；紫外光少产生热电子）](https://www.osti.gov/biblio/14145)
30. [LLNL (1998)：frequency converter（峰值效率 85%）](https://www.osti.gov/biblio/304598)
31. [LLNL (2007)：The Ignition Target for the NIF（铝制热力–机械组件与硅热沉）](https://www.osti.gov/servlets/purl/909643)
32. [Fusion Science and Technology：氘氚三相点约 19.8 K](https://wx1.ans.org/pubs/journals/fst/a_1533)
33. [R. E. Olson 等 (2011)：Ablation Rate and Implosion Velocity in ICF Capsules at the NIF，APS 等离子体物理年会摘要（到峰值速度时应烧蚀掉 90–96% 的烧蚀层）](https://meetings-archive.aps.org/dpp/2011/co8/3/)

## 数据

The chamber model follows the sizes Lawrence Livermore National Laboratory publishes (a 10 m sphere of 10 cm aluminium under 0.3 m of borated concrete, 48 beam ports on cones at 23.5°, 30°, 44.5° and 50°); the azimuths within each cone, the diagnostic ports, the outer shapes of the optics, manipulators and positioner, the cut beam tubes and the column are schematic. The target follows shot N221204 as described in Phys. Rev. Lett. 132, 065102 (2024) and Phys. Rev. E 109, 025204 (2024). Shot energies are LLNL’s (lmf.llnl.gov, “Achieving Fusion Ignition”); the energy flow inside the target is from O. A. Hurricane et al., Phys. Rev. Lett. 132, 065103 (2024). The implosion curve is the page’s own thin-shell model, tuned to the published speed, bang time and hot-spot size; it is not a simulation by the NIF team. Material presets, parts and the softbox studio of the site’s model kit are ported from AirsupHQ/machine-skill (MIT, © 2026 Air Supply Technologies Inc.).

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## 引用这幅图版

拉普拉斯的迷你世界，图版 F32《激光聚变点火》，https://world.lapla.si/zh/nif/，CC BY-NC 4.0，2026-10-21 更新。