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前言：在笔者为这期超算系列内容搜集材料的时候，读到了很多有关LLNL国家点火实验的资料，感触颇深。在这已持续16年的项目背后，是人类不断探究文明追求科技的缩影。笔者也愿意相信，核聚变能源必将被人类所控制。很幸运，我们也许就将在2010年见证人类21世纪这最伟大的发明，真正的清洁能源，永恒之光。 在上一期《解读地球上最强超级计算机的运行项目》一文中，为大家介绍了部署于橡树岭国家实验室的Cray美洲豹超级计算机和洛斯阿拉莫斯国家实验室的IBM走鹃超级计算机。而今天我们先要为大家带来的是劳伦斯利佛摩尔国家实验室(LLNL)的蓝色基因L超级计算机（Blue Gene L），同样隶属于美国能源部。 Blue Gene/L超级计算机
Blue Gene/L基于IBM PowerPC440，主频700MHz，内核数为212992个，理论运算峰值速度596378GFLOPS，实测运算速度478200GFLOPS。(2007年11月TOP500运算速度排名世界第1，在最新榜单中位列第8) 劳伦斯利佛摩尔国家实验室
劳伦斯利佛摩尔国家实验室与洛斯阿拉莫斯国家实验室颇有渊源。（1952年，洛斯阿拉莫斯国家实验室研制的第一颗氢弹试爆成功后，在“氢弹之父”爱德华·特勒的推动下，美国政府成立了劳伦斯利佛摩尔国家实验室）这两家实验室也是至今为止地球上最知名的两家核实验室。 劳伦斯利佛摩尔国家实验室每年经费预算约16亿美元，工作人员超过8000人，包括3500名科学家、工程师以及技术人员。LLNL拥有价值数十亿美元的研究设备。其中建有现代化的新炸药合成实验室，并配有新型的含能材料合成、分析、测试设备，通过超级计算机可设计预测新炸药性能、结构以及对其它材料的影响。 国家点火装置NIF
在上一期介绍洛斯阿拉莫斯国家实验室的走鹃超级计算机时，我们曾经提到过现在两家实验室正在利用自己所能利用的一切资源，准备着一项伟大的实验（国家点火装置National Ignition Facility，走鹃和Blue Gene/L超级计算机模拟核聚变实验中的激光发散的全部过程）。如果实验成功这也许将是21世纪人类最伟大的发明，也是为全人类做出的最杰出的贡献。为什么这么说？众所周知，随着地球可用资源的逐渐枯竭，各地地貌气候变化愈发明显。人类急需寻找可以替代煤炭，石油等常用能源的资源。
前一项科研项目我们上次曾经提到过，是由洛斯阿拉莫斯国家实验室的走鹃超级计算机与劳伦斯利佛摩尔国家实验室共同参与的。美国计划在2010年秋季由劳伦斯利佛摩尔国家实验室实施核聚变，激光技术的实验。该项目是近60年最重要的激光技术，在实验室中取得核聚变能源。规模动力学模拟在三维激光等离子体相互作用的激光散斑。在走鹃超级计算机的协助下，可以实现前所未有的规模，速度和保真度。 一种新的诊断系统，光栅驱动瞬态光学记录仪（该装置被称为鳄鱼），由LLNL科学家和工程师通过Blue Gene/L超级计算机共同开发，能取得一个万亿焦耳的X 射线或可见光图像。这种诊断工具可以详细的测量在点火（国家点火装置实验）条件下，采取的研究高能量密度物理热烧伤的条件、天体物理实验和核武器运作。这将使新的研究，以推进天体物理科学理解，以及核库存管理。通过超级计算机，该模拟系统在提高了“鳄鱼”的精度后，时间分辨率可以超过现有的仪器50倍，可以用形象的事件表现如何创建使用高功率激光器，以及其他高能量密度的物体。 基于超级计算机的模拟计算结果，由广大LLNL的数学家，物理学家，化学家和工程师通过近16年的研究设计了以下NIF项目的设备。
封闭型核聚变（ICF）装置是使用外部的热能来源注入其中，以达到封闭区内的高温高压。封闭区中央的目标是一个包含若干核燃料的小球，可能使用氢或氚。高温激光会使小球表面等离子化，表面也会炸开。其余中心材料受到牛顿第三定律（作用力和反作用力定律）驱使，最终会向中央塌缩。而爆炸波会使塌缩均匀向中央浓缩达到高温高压下的极高浓度。只要浓度够高应该就会发生核聚变 。 核聚变 人类为什么需要核聚变技术？
核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。 核聚变是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。这正是目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。 为地球带来恒星之光
核聚变会放出大量产物，其中一些（主要是阿尔法粒子）碰撞到外层高浓度燃料材料就会减速下来。期间产生的碰撞热能侦测到后就可以断定发生核聚变反应。只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生链式反应，当出现由内而外的震波时。这现象就称为"点火"，这是引发核聚变的重点过程，并且会放出大量能源。
通过IBM蓝色基因L超级计算机的计算显示，必须要在燃料球被震暴波爆开前的数微秒之间注入足够能量才能核聚变成功。而且加诸小球上的能量必须要极度高能却又均匀才能使球体向中央均匀塌缩至高浓度。虽然考虑过其他施加能量的方法，例如重粒子加速器，但目前还是只有激光科技能达成此种要求。
NIF目标是造成500兆兆瓦（TW，中文称之为太瓦）能量的激光在1微微秒的同一瞬间击中球体。设计中是采用192门总成激光光束，每四具激光产生器一组共48组 每组经过16道强化过滤器。为了保证激光产生器同步化，所有激光的最初光源都是来自单一产生器再分割强化。因此最初的激光能量只有一具1053nm的镱红外线激光主控振荡器搭配光纤引导分裂进入48具扩大器。扩大器会让光束循环经过四次钕玻璃，每层增强6焦耳能量。原本的设计中这层扩大器会将建筑物分割成两半。改良设计后可以达到更大功率所以也就缩小了体积。
主扩大器原理一样但是更大且位于激光末端。发射后第一层扩大器会点燃7680具高能量氙灯，其中每层小扩大器还有自己的氙灯。所有灯是用大量电容器的能量发出400百万焦耳（MJ）的光能。当光波经过，扩大器会把储存的能量加入其中，这并非是很有效率的机器，也只有约1/4的能量会成功加入到光束中；所以为了解决这问题，光束才要使用光纤导轨进入反射腔重复通过四次。一系列扩大最后会把原本的6焦耳激光加强到4百万焦耳。虽然只能维持几十亿分之一秒，但是能量可以达到极高，瞬间超过500TW。 实验设备 当扩大器把能量加入激光中后，激光会直接射往末端的目标球。整条激光光束贯穿建筑物长达305米而不中断。其中大量的长度都是在滤光器中渡过，它是一种瞄准最终目标点的类似望远镜的管状物，并能切断任何偏离的光束还能确保激光以极高精确度命中。
采用点火式核聚变的好处就是一但开启核聚变可以自行聚变燃料球后就可以中断外部能量供应。因为链式反应的能量可以自动聚变剩下的材料。因此点火式核聚变成为目前最有希望迈入实用化的唯一途径。
NIF设计上首次采用间接驱动运作方法，激光全部能量集中在一个环状物中的小球。环状物被称为hohlraum环空器，可以重复激发X光频谱，比传统激光光束更均匀对称。 经过处理的激光将会通过hohlraum环空器生成极强的X射线，聚焦在直径为0.44厘米的氘-氚粒状物上（D-T气体或D-T结冰体）。在高温和辐射的作用下，粒状物将转化为等离子体，且压力不断升高，直至发生核聚变。
按照走鹃和蓝色基因L超级计算机的模拟计算，核聚变反应时间很短，大约只有百万分之一秒。但该实验所释放的能量是引发核聚变所需能量的50到100倍。在这种类型的反应堆中，需要相继点燃多个目标，才能产生持续的热量。
另据科学家估计，每个目标的成本可控制在0.25美元左右，从而大大降低了核电厂的成本。 科技才能挽救地球？
现在，我们可以轻易的在网上找到很多对于NIF项目的非议。但是对于这样可能改变我们未来生活的科研项目，除了支持与期待，难道我们还应做些其他的事情吗？这不是开发个iPhone4或者Windows7那么简单的事情！历经16的研发，35亿美金的资金投入，也许会失败。但是人类需要在还能改变的时候去努力为未来进行实验。否则等待我们的就是能源枯竭后的毁灭。
曾有媒体指出，NIF项目的隐藏目的是美国政府为确保老式核武器的安全性。或是借助点火实验中超高的密度和热度模拟外星环境，完成天体物理实验。最后才是建立核聚变能源站。
有人说，每个人站的高度不同，所以看待问题的角度就不同。 后记：上一期《解读地球上最强超级计算机的运行项目》最后，预计介绍的本来有部署于阿贡国家实验室的Blue Gene/P超级计算机。因时间所限，会在下一期登场，同时也会补充一下劳伦斯科利莫尔国家实验室的Blue Gene/L超级计算机其他的科学应用。
愿太阳永远照耀着地球。 |
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2010-07-28 02:35
出处：PConline原创
责任编辑：liuyu1
