2023年12月，美国能源部（Department of Energy，DOE）宣布成立了三个新的惯性聚变能源(Inertial Fusion Energy，IFE)中心，并将在四年内提供总计4200万美元的资金，旨在加速惯性聚变能源科学和技术的发展。劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)获得1600万美元资助，其IFE中心被称为STARFIRE，项目合作伙伴包括General Atomic、Xcimer Energy、Focused Energy、Longview Fusion Energy Systems。
一、基本概况
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL），成立于1952年，现有员工约9200人，位于美国旧金山湾区利弗莫尔，隶属于美国能源部的国家核安全局（NNSA），现由劳伦斯利弗莫尔国家安全机构（LLNS）负责运行。作为美国能源部下属的17个国家实验室之一，LLNL专注于核科学、国家安全、基础科学研究和技术创新，在维护国家安全、推动科技进步方面发挥着重要作用。
LLNL最早是劳伦斯伯克利国家实验室设在加州旧金山湾区利弗莫尔（Livermore）的分支实验室，由加州大学伯克利分校物理学教授Ernest O. Lawrence（诺贝尔奖得主、回旋加速器之父）、Edward Teller（氢弹之父）共同建立。实验室主要负责包括核武器在内的美国国防科技的研发。
从左到右：依次是Ernest O. Lawrence、Edward Teller、Herbert Frank York（实验室首任主任）
二、研究领域
LLNL的核心使命是确保美国的国家安全，同时在科学和工程领域进行创新研究。聚焦7大领域科技研发：
- 先进材料与制造：
- 生物科学与生物工程
- 地球与大气科学
- 高能量密度科学
- HPC、仿真和数据科学
- 激光与光学科技
- 核能、化学与同位素科技
三、核聚变研究发展历程
LLNL的发展历史可以追溯到冷战时期，当时的主要任务是支持美国的核武器计划。从20世纪60年代开始，开始拓展到核聚变领域。
-1960年6月，John Nuckolls确定了使用数十万电子伏特（eV）温度下的辐射使氘氚 （DT） 胶囊内爆并引发非常小规模的聚变爆炸的可能性。
-1960年代中期，实验室研究人员正在使用“4 Pi”多千兆瓦红宝石激光系统进行实验，以研究等离子体温度和辐照目标的离子发射。
-1960年代，实验室对ALICE及其继任者棒球I和II进行了磁聚变实验，探索了使用中性光束产生和维持由磁镜限制的热等离子体的可能性，并成功在低等离子体密度下证明了这一概念。
-1971年，棒球II号（一种形状像棒球接缝的大型超导磁体）内部产生了寿命接近一秒的低密度等离子体。
-1974年，Janus激光器建成，用于探索国家安全和更广泛应用的惯性约束聚变 （ICF）。
-1977年11月，世界上最强大的激光器-Shiva激光系统建成。它的第一次全功率发射，在不到十亿分之一秒的时间内提供了超过10千焦耳的能量。
-1978年，旋转目标中子源-2（RTNS-2）投入使用，它是当时世界上最强的14兆伏聚变中子源。既可以产生用于核物理实验的脉冲中子源，也可以产生用于辐照实验的强烈、稳定的中子通量。RTNS被用于研究聚变反应对14兆伏（MeV）中子产生的材料的损害，以加速聚变能的发展。
-1979年，串联镜实验（TMX）旨在测试将超热聚变燃料（等离子体）限制在新几何形状中的稳定性，与以前的实验室磁聚变方案相比，在等离子体限制方面有显着改进。TMX的成功促使LLNL设计了镜面融合测试设施。
-1979年12月，经国会批准，实验室更名为LLNL。
-1984年12月，当时世界上最强的激光器-Nova投入使用。
-1986年，在惯性约束聚变实验中，Nova产生了创纪录的11万亿个聚变中子，并在次年将聚变燃料颗粒压缩到大约铅的密度。
-2006年，世界上第一台将高能PBA瓦短脉冲光束与千焦耳长脉冲光束耦合的激光器-Titan投入使用，使用双光束激光在极端条件下研究物质，以推进天体物理学、材料科学和等离子体物理学。
-2007年5月，DOE选择劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司（LLNS）作为LLNL的管理和运营承包商。
四、激光聚变装置
国家点火设施（National Ignition Facility，NIF）：世界上最大的激光约束聚变装置，可把200万焦的能量通过192条激光束聚焦到一个很小的点上，从而产生类似恒星和巨大行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。在此基础上，实施此前在地球上无法实施的许多试验，其最终目标是点火实现自持聚变反应。该装置的重要里程碑如下：
-1997年5月，NIF举行奠基仪式，正式开工建设。
-2009年5月，NIF正式落成。
-2010年11月，NIF完成首次综合点火实验，利用192束激光系统向首个低温靶室发射了1MJ激光能量。
-2021年8月，NIF利用1.9MJ的激光驱动能量，实验产生了1.3MJ的聚变能。将目标舱内的氘氚燃料压缩到铅密度的8倍，并在100万亿分之一秒内产生超过100万亿瓦的功率。
-2022年12月，NIF利用2.05MJ激光驱动能量，获得了3.15MJ的氘氚聚变放能，人类历史上首次实现”净能量增益“。
-2023年7月，NIF利用2.05MJ激光驱动能量，获得了3.88MJ的氘氚聚变放能。
-2023年10月，NIF利用1.9MJ激光驱动能量，获得了2.4MJ的氘氚聚变放能。
-2023年10月，NIF利用2.2MJ激光驱动能量，获得了3.4MJ的氘氚聚变放能。
五、历任领导者
Herbert Frank York：1921年出生，1943年在罗切斯特大学获得学士和硕士学位，1949年在加州大学伯克利分校获得博士学位。1952–1958年担任加州大学辐射实验室利弗莫尔分校的首任主任。2009年逝世。
Edward Teller：1908年出生，匈牙利裔美国理论物理学家和化学工程师，被誉为“氢弹之父”，也是泰勒-乌拉姆设计的创造者之一。1928年在卡尔斯鲁厄大学获得学士学位，1930年在莱比锡大学获得物理学博士学位。他在核物理学、分子物理学、光谱学（特别是Jahn-Teller和Renner-Teller效应）和表面物理学方面做出了突出贡献。1958–1960年担任实验室的第二任主任。2003年逝世。
Harold Brown：1927年出生，1949年获得物理学博士学位，1952年加入实验室工作，并于1960-1961年成为该实验室的第三任主任。随后先后担任国防部的国防研究与工程主任、美国空军部长、加州理工学院（Caltech）校长、美国国防部长职务。2019年逝世。
John S. Foster Jr.：1922年出生，1948年在麦吉尔大学获得学士学位，1952年在加州大学伯克利分校获得物理学博士学位。1961–1965年担任实验室的第四任主任。1965年10月-1973年6月，他被任命为美国国防部国防研究与工程主任。
Michael M. May：1925年出生于法国马赛，1944年在华盛顿惠特曼学院获得物理/数学学士学位，1952年获得物理学博士学位。同年加入实验室，曾担任小组和部门负责人，并于1962年成为核设计副主任。1965-1971年担任实验室的第五任主任。
Roger Batzel：1921年出生，1947年在爱达荷大学获得学士学位，1951年获得加州大学伯克利分校的核化学博士学位。次年加入加州大学利弗莫尔分校辐射实验室。1966-1968年，他担任化学和空间反应堆副主任，1969年担任化学和生物医学研究副主任。1971-1988年，担任LLNL的第六任主任。2000年逝世。
John Nuckolls：1930年出生，1953年获得惠顿学院学士学位，1955年获得哥伦比亚大学的硕士学位。随后加入了实验室，最初负责核武器设计。1957年，Nuckolls加入了犁铧计划（Project Plowshare，旨在开发用于大规模以和平建设为目的的核爆破技术）。1988-1994年，他担任了LLNL的第七任主任。Nuckolls教授先后于1969年获得Ernest Orlando Lawrence Award，1981年获得James Clerk Maxwell Prize for Plasma Physics，1991年获得Edward Teller Award（世界聚变领域最高奖项）。
C. Bruce Tarter：1939年出生，1961年在麻省理工学院获得物理学学士学位，随后在康奈尔大学获得了理论天体物理学博士学位。1967年加入LLNL，从事天体物理学以及核聚变和核武器计划方面的研究。1994–2002年，Tarter教授担任LLNL的第八任主任。
Michael R. Anastasio：1948年出生，在约翰霍普金斯大学的物理学学士学位，并在纽约州立大学石溪分校获得理论核物理学硕士和博士学位。1980年加入LLNL，从事核武器设计。1996-2001年，他担任国防和核技术副主任，负责实验室核武器计划的所有活动。在此职位上，他在制定和执行国家库存管理计划方面发挥了重要作用。2001-2002年，担任LLNL的战略运营副主任。2002-2006年，Anastasio教授担任LLNL的第九任主任。2006年6月1日，他成为洛斯阿拉莫斯国家实验室的主任。
George H. Miller：Miller教授分别于1967年、1969年、1972年在威廉玛丽学院获得物理学学士、硕士和博士学位。1972年加入LLNL，担任物理学家。1985年，他成为核设计副主任。1989年，Miller教授离开LLNL，担任美国能源部武器活动特别科学顾问。1990年，回到LLNL并担任国防和核技术副主任、国家安全副主任和NIF项目副主任。2006–2011年，Miller教授担任LLNL的第十任主任。
Penrose C. Albright：曾在乔治华盛顿大学获得物理学学士学位，在马里兰大学获得物理学硕士和博士学位。2009年12月- 2011年11月，他担任LLNL全球安全首席副总监。2011–2013年，Albright教授担任LLNL的第十一任主任。
Bret Knapp：1958年出生，Knapp在加州理工州立大学获得机械工程学士学位，他还获得了加州大学戴维斯分校的机械工程硕士学位。2006年，Knapp教授加入洛斯阿拉莫斯（Los Alamos National Lab，LANL），担任武器工程副总监。2011年底，他被任命为洛斯阿拉莫斯（LANL）武器项目首席副主任。2013–2014年，Knapp教授担任LLNL的代理主任。2014年逝世。
William H. Goldstein：2001年-2012年，Goldstein教授担任LLNL副主任，他是能源部库存管理计划的建立和管理的领导者。2014–2021年，他担任LLNL的第十二任主任。
Kimberly S. Budil：1987年获得伊利诺伊大学芝加哥分校物理专业理学学士学位，1988年获得理学硕士学位，1994年获得加州大学戴维斯分校应用科学博士学位。Budil教授在高功率、超快激光器领域颇有建树，参与了世界上第一个惯性约束聚变项目-NOVA项目（NIF前身）。她的职业生涯起步于LLNL，随后在能源部、国防部等部门任职。2021年开始，担任LLNL的第十三任主任，也是首位担任该职位的女性。
六、部分合作项目
Focused Energy与LLNL宣布签署了一项战略合作项目协议。在这个合作项目中，LLNL将利用NIF帮助Focused Energy开发和评估惯性聚变能的等时压缩目标设计。
Focused Energy是一家专注于激光驱动聚变能源的初创公司，成立于2021年，总部位于德国达姆施塔特和美国德克萨斯州奥斯汀，致力于开发和商业化惯性约束聚变技术，从而实现清洁能源生产。Focused Energy提出将直接驱动激光燃料压缩与“质子快速点火”技术相结合，以此来实现核聚变。
参考链接：
- https://www.llnl.gov/article/50681/llnl-led-team-receives-doe-award-establish-inertial-fusion-energy-hub
- https://www.llnl.gov/science-technology
- https://mp.weixin.qq.com/s/RwQRbA44gf6soAEH7xP2Rw
- https://www.llnl.gov/purpose/history
- https://laser.ofweek.com/2023-11/ART-8130-2400-30616617.html