物理學家看慣性融合計畫縮減案
- 人文觀察
- 撰文者：原文作者：David Kramer。中文編譯：朱家誼 博士，國立中興大學物理系 博士後
- 發文日期：2018-05-11
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學界對川普政府提出，三年內要關掉位於羅徹斯特大學（University of Rochester）的Omega雷射設備一案表達他們的憂慮：「Omega雷射的使用者們想提醒政府，該設備一旦關閉不僅會壓垮成長中的高能量密度（high energy density，或HED）物理，同時也會削弱科學家管理和維護核武庫的訓練。」2019年美國能源部的慣性侷限融合（inertial confinement fusion，或ICF）計畫預算被刪減了兩成，其中衝擊最大的就是Omega雷射將被逐步關閉。ICF主要是為了達到點火（ignition）這個目標，簡單來說，就是希望可以讓核融合自給自足的持續下去，但是其中有七成的努力將隨著預算的刪減消失。
內華達大學雷諾分校（University of Nevada, Reno）教授同時也是有400個成員的Omega雷射使用者小組主席的羅伯托·曼奇尼（Roberto Mancini）說，這個雷射研究範圍涵蓋了實驗室天文學（laboratory astrophysics）、輻射流體力學（radiation hydrodynamics）、原子和核子物理、極端條件下的材料和狀態方程式（equation of states）、相對論性的雷射―電漿交互作用和其他核融合的概念。在這期的Physics Today第20頁也有報導由Omega雷射實驗證實產生星際環境中磁場的理論的新聞。
當局在2月23號釋出的的2019年預算藍圖中提供了美金四千零四十萬元（約十二億新台幣）給Omega雷射所在的羅徹斯特雷射能量實驗室（Laboratory for Laser Energetics，或LLE），這與今年的六千六百八十萬美元（將近二十億新台幣）相比少了許多。藍圖中ICF計畫底下的美國海軍研究實驗室（US Naval Research Laboratory）氪氟雷射計畫的八百五十萬美元（約兩億五新台幣）也被提議終止，同時結束與通用原子公司（General Atomics）兩千四百萬美元（約七億新台幣）製造ICF靶丸（ICF target）的合約。
ICF計畫雖然明年的預算被大砍了一億零四百萬美元（約三十億新台幣）剩下四億一千八百萬美元（約一百二十五億新台幣），但依然維持可以達到實驗室等級的核融合為主要目標，除此之外也用來證實材料在幾近核爆或是星體內部的高壓、高溫下的電腦模擬正確性。計畫中三個主要設施除了Omega雷射還有位於勞倫斯利福莫耳國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboraory，或LLNL）的國家點火設施（National Ignition Facility，或者NIF）和桑迪亞國家實驗室的Z脈衝功率設施（Z Pulsed Power Facility at Sandia National Laboratories）分別用不同的方法研究慣性融合。而ICF計畫其實是用高性能的電腦和實驗設施來取代90年代地下核測試的核儲備管理計畫（stockpile stewardship program）裡的一部分（請參閱Physics Today的2016年八月號第46頁由Victor Reis、Robert Hanrahan和Kirk Levedahl合著的「The Big Science of stockpile stewardship」）。
生存危機
這樣的預算編列，幾乎是宣告NNSA不再培養核儲備科學裡的HED物理人才了。從90年代停止試爆之後NNSA一直在增加HED物理人才，有部份是為了吸引一些新生科學家進入武器實驗室以補足退休的人力；但NNSA本來提供HED實驗室電漿研究的計畫經費九百五十萬美元（約兩億八千萬台幣）將會被全數刪除，要知道，這些計畫裡的研究生畢業後通常會繼續做武器相關的研究。能源部的科學辦公室（Office of Science）明年的基礎科學計畫預算也從今年的一千萬美元（約三千億新台幣）掉到七百五十萬美元（約兩億兩千萬新台幣）。
芝加哥大學（University of Chicago）的天文學家唐納·蘭姆（Donald Lamb）說，這樣的預算書對於HED物理是個生存的危機。（Physics Today的2010年六月號第28頁有Paul Drake 寫的HED物理的歷史。）這樣的預算縮減會造成美國在ICF領域的領導地位消失，如同高能物理的傑出地位從放棄超導超大型加速器（Superconducting Super Collider）之後就拱手讓位，他繼續說道：「我們在其他領域已經得過教訓了。」
麻省理工（Massachusetts Institute of Technology，或MIT）的電漿科學及融合中心的物理部門主任里察·佩特拉索（Richard Petrasso）說：「如果你斷了這些學生和年輕優秀學者的生路，他們將一去不復返。」佩特拉索又說，他目前負責的學程裡，就有六位博士生是在Omega做實驗、四位在NIF做研究。大約有九成研究HED物理拿到博士學位的研究生都曾經獲得NNSA計畫的資助。
佩特拉索的學生們為ICF計畫發明出數個測定系統。其中有七個已被NIF拿去用，包含一個還被稱為實驗的背景光「放出等能量的粒子的閃光燈泡」的系統。佩特拉索說：「我們現在在討論的都是有能力理解、評量核武的人。在世界上一定需要做得到這些事情的人。」
密西根大學裡的雷射實驗天文研究中心（Center for Laser Experimental Astrophysical Research at the University of Michigan）的計畫主持人卡洛琳·庫蘭茲（Carolyn Kuranz）在Omega創造及研究類似超新星（supernova）和吸積盤（accretion disk）環境的實驗室等級的HED電漿。他說：「很多我和我學生在這裡做的事情對國家安全都有非常大的貢獻。」關於Omega如果被關閉，他評論道：「我不知道往後這些學生要到哪裡學ICF需要的技術，甚至大概連聽都不會聽過這個領域。」 庫蘭茲接著補充，美國在ICF的地位將馬上被正在建構類似設施的中國和歐洲超前；舉例來說，法國更大的百萬焦耳雷射（Laser Mégajoule）已經開始運轉了。
LLE的資深科學家約翰·索阿雷斯（John Soares）說NNSA每年都有資助Omega的研究生，平均一個研究生五年，總共40位。另外，LLE本身的計畫經費每年也資助了25到35位其他機構的研究生來Omega做研究。
雖然跟NIF以192束雷射光產生的一百八十萬焦耳比起來，Omega的60束雷射光產生的三萬焦耳實在是小巫見大巫；但是Omega可以快速的再運轉、低運作成本和他非機密的地位設定使得Omega可以做的實驗遠多於NIF。比起NIF光束一天最多只能打三次，Omega每日可達十五次；而且NIF一年只開放18天給非武器實驗。LLE的主任麥可·坎貝爾（Michael Campbell）說，雖然只有少數機密的實驗會在Omega做，但是其他的實驗對武器物理學也非常相關。
Omega自1995年成立後，2008又再設置Omega EP，增設了四光束雷射（four-beam laser）和一個靶室。這兩個設施可以以共同運轉模式一起加熱同一個靶室內的靶丸，其中一個例子就是用EP做X光攝影紀錄下用大型雷射讓靶丸內爆時的狀況。
坎貝爾說Omega每年2100個實驗裡有六成是羅徹斯特大學以外的使用者做的，其中約有300個是美國、歐洲和日本來的研究員做的，其他的都是國家實驗室的科學家。在Omega的很多研究對NIF有貢獻；舉例來說，LLNL的科學家在Omega做的實驗比在NIF做的還多，又譬如NIF的鈽實驗方案就是在Omega用替代金屬實驗後擬定的。
缺乏監督
2019年的預算打算暫緩Omega的研究，也就是中止研究ICF最直接的方式：將雷射打在核燃料的膠囊上使核燃料產生內爆。預計在2020年要上路的ICF替代方案也會因此而不得不執行，因為沒有回頭路了（請參閱2016年六月17號Physics Today的新聞「NIF may never ignite, DOE admits」）。
NIF的實驗都是用間接的方式研究ICF，他們是將雷射光束打在裝核燃料的圓柱腔上，讓腔體發出的X光驅動核燃料的內爆。2009年NIF完全建構好時，計畫的管理階層非常有信心在2012年一定可以完成點火。誰知道天不從人願，這把火到現在都還點不著。
說到NIF，預算也被砍了五千七百萬美元（約十七億新台幣）剩下兩億八千七百萬美元（約八十六億新台幣），也就代表打光束的數量被迫減少三成。設施總監馬克·赫爾曼（Mark Herrmann）對NIF的預算縮減的評論是:「這雖然成功的打擊我們對核儲備管理的貢獻，但會使點火的成果會急遽的減少甚至可能會完全停止。」他也提及，這個預算剛剛好砍在我們往點火之路持續邁進的時候，尤其是過去一年左右NIF的核融合能量輸出其實已經倍增了。
對NIF和Omega而言這還不是最糟糕的，NNSA停止資助通用原子公司的靶丸製造計畫，這兩個實驗室只好將分別為一千六百萬美元（約四億八新台幣）和八百萬美元（約兩億四新台幣）的費用自行吸收。
第三個研究ICF的設施，Z脈衝功率設施，乍看之下經費從去年的一億一千萬美元（約三百三十億新台幣）提高到一億一千八百萬美元（三百五十億新台幣）。但那是因為他們將近一半的收入是從非ICF武器科學計畫來的，他們的ICF部份依然是從今年的六千三百萬美元（約十九億新台幣）掉到五千七百萬美元（約十七億新台幣）。
這次ICF預算縮減其實是因為2019年度NNSA的預算書裡要求增加十八億美元（約五百四十億新台幣）到一百一十億美元（約三千億新台幣）來資助所有核武器相關活動造成的。提高的金額主要是為了增加彈頭的使用期限、加速基礎設施改建和維修老舊武器製造綜合設施。
兩個熟悉ICF計畫的消息來源指出ICF經費縮減部份是因為NNSA少了國防項目事務副局長（譯註：雖名為副局長，但其實是國防項目事物的負責人）。該職位從川普總統宣佈就職之後就一直空在哪裡。
白宮在今年二月26號提名現任LLNL的武器與複雜整合（Weapons and Complex Integration）部門的首席副主管查爾斯·維頓（Charles Verdon）擔任國防項目事務副局長。在被提名前幾天，維頓告訴記者關於ICF的預算縮減是因為這些實驗室沒有盡力教育其他NNSA的官員ICF計畫的重要性。
看起來這些ICF研究計畫的經費縮減案不會在國會原封不動的通過。紐約國會代表團團員們已經宣示他們不會讓政府關掉LLE。紐約州的民主黨參議員查爾斯·舒默（Charles Schumer ）在一個聲明裡提到：「關閉羅徹斯特大學雷射實驗室的大門是個非常糟糕的決定。」他說：「那不僅僅是造成340位的高科技工程師和科學家失業而已，那還會造成人民對國家核庫的安全、祕密和保存的不信任。簡單來說，我會盡全力去避免政府做出錯誤的決定。」紐約民主黨眾議員露易絲·史勞特（Louise Slaughter）和共和黨眾議員克里斯·科林斯（Chris Collins）也不分黨派的反對關閉斯特大學雷射實驗室的提案。
本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, April 2018 雜誌內(Physics Today 71, 4, 29 (2018); https://doi.org/10.1063/PT.3.3895)；原文作者：David Kramer。中文編譯：朱家誼 博士，國立中興大學物理系 博士後。
Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by David Kramer, and is published on Physics Today 71, 4, 29 (2018); https://doi.org/10.1063/PT.3.3895）. The article in Mandarin is translated and edited by Dr. Chia-Yi Ju, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.
內華達大學雷諾分校（University of Nevada, Reno）教授同時也是有400個成員的Omega雷射使用者小組主席的羅伯托·曼奇尼（Roberto Mancini）說，這個雷射研究範圍涵蓋了實驗室天文學（laboratory astrophysics）、輻射流體力學（radiation hydrodynamics）、原子和核子物理、極端條件下的材料和狀態方程式（equation of states）、相對論性的雷射―電漿交互作用和其他核融合的概念。在這期的Physics Today第20頁也有報導由Omega雷射實驗證實產生星際環境中磁場的理論的新聞。
羅徹斯特大學的Omega雷射的靶室俯視圖。（圖由雷射能量實驗室的EUGENE KOWALUK提供）
時任能源部國家核安全局（National Nuclear Security Administration，或NNSA）代理局長史蒂文·艾哈特（Steven Erhart）對預算縮減的回應只有「這是為了更重要的事情所作的不得不作的犧牲」。2019年度NNSA的預算案中大幅提高了武器製造和相關建設的金額，但NNSA官方不願意對此多做回應。當局在2月23號釋出的的2019年預算藍圖中提供了美金四千零四十萬元（約十二億新台幣）給Omega雷射所在的羅徹斯特雷射能量實驗室（Laboratory for Laser Energetics，或LLE），這與今年的六千六百八十萬美元（將近二十億新台幣）相比少了許多。藍圖中ICF計畫底下的美國海軍研究實驗室（US Naval Research Laboratory）氪氟雷射計畫的八百五十萬美元（約兩億五新台幣）也被提議終止，同時結束與通用原子公司（General Atomics）兩千四百萬美元（約七億新台幣）製造ICF靶丸（ICF target）的合約。
ICF計畫雖然明年的預算被大砍了一億零四百萬美元（約三十億新台幣）剩下四億一千八百萬美元（約一百二十五億新台幣），但依然維持可以達到實驗室等級的核融合為主要目標，除此之外也用來證實材料在幾近核爆或是星體內部的高壓、高溫下的電腦模擬正確性。計畫中三個主要設施除了Omega雷射還有位於勞倫斯利福莫耳國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboraory，或LLNL）的國家點火設施（National Ignition Facility，或者NIF）和桑迪亞國家實驗室的Z脈衝功率設施（Z Pulsed Power Facility at Sandia National Laboratories）分別用不同的方法研究慣性融合。而ICF計畫其實是用高性能的電腦和實驗設施來取代90年代地下核測試的核儲備管理計畫（stockpile stewardship program）裡的一部分（請參閱Physics Today的2016年八月號第46頁由Victor Reis、Robert Hanrahan和Kirk Levedahl合著的「The Big Science of stockpile stewardship」）。
生存危機這樣的預算編列，幾乎是宣告NNSA不再培養核儲備科學裡的HED物理人才了。從90年代停止試爆之後NNSA一直在增加HED物理人才，有部份是為了吸引一些新生科學家進入武器實驗室以補足退休的人力；但NNSA本來提供HED實驗室電漿研究的計畫經費九百五十萬美元（約兩億八千萬台幣）將會被全數刪除，要知道，這些計畫裡的研究生畢業後通常會繼續做武器相關的研究。能源部的科學辦公室（Office of Science）明年的基礎科學計畫預算也從今年的一千萬美元（約三千億新台幣）掉到七百五十萬美元（約兩億兩千萬新台幣）。
芝加哥大學（University of Chicago）的天文學家唐納·蘭姆（Donald Lamb）說，這樣的預算書對於HED物理是個生存的危機。（Physics Today的2010年六月號第28頁有Paul Drake 寫的HED物理的歷史。）這樣的預算縮減會造成美國在ICF領域的領導地位消失，如同高能物理的傑出地位從放棄超導超大型加速器（Superconducting Super Collider）之後就拱手讓位，他繼續說道：「我們在其他領域已經得過教訓了。」
圖為技術人員在羅徹斯特大學的Omega EP靶室內進行初始安裝。Omega EP雷射在2008年啟用，外部有一系列與Omega靶室相容的測定系統。
（圖由雷射能量實驗室的EUGENE KOWALUK提供）
曾任無數個武器實驗室顧問團委員的蘭姆也提出警告，如果沒有可以證實電腦模擬的實驗技術，那未來將沒有實驗室可以保證任何核武器的任何修正或改變可以如預期的運作。麻省理工（Massachusetts Institute of Technology，或MIT）的電漿科學及融合中心的物理部門主任里察·佩特拉索（Richard Petrasso）說：「如果你斷了這些學生和年輕優秀學者的生路，他們將一去不復返。」佩特拉索又說，他目前負責的學程裡，就有六位博士生是在Omega做實驗、四位在NIF做研究。大約有九成研究HED物理拿到博士學位的研究生都曾經獲得NNSA計畫的資助。
佩特拉索的學生們為ICF計畫發明出數個測定系統。其中有七個已被NIF拿去用，包含一個還被稱為實驗的背景光「放出等能量的粒子的閃光燈泡」的系統。佩特拉索說：「我們現在在討論的都是有能力理解、評量核武的人。在世界上一定需要做得到這些事情的人。」
密西根大學裡的雷射實驗天文研究中心（Center for Laser Experimental Astrophysical Research at the University of Michigan）的計畫主持人卡洛琳·庫蘭茲（Carolyn Kuranz）在Omega創造及研究類似超新星（supernova）和吸積盤（accretion disk）環境的實驗室等級的HED電漿。他說：「很多我和我學生在這裡做的事情對國家安全都有非常大的貢獻。」關於Omega如果被關閉，他評論道：「我不知道往後這些學生要到哪裡學ICF需要的技術，甚至大概連聽都不會聽過這個領域。」 庫蘭茲接著補充，美國在ICF的地位將馬上被正在建構類似設施的中國和歐洲超前；舉例來說，法國更大的百萬焦耳雷射（Laser Mégajoule）已經開始運轉了。
LLE的資深科學家約翰·索阿雷斯（John Soares）說NNSA每年都有資助Omega的研究生，平均一個研究生五年，總共40位。另外，LLE本身的計畫經費每年也資助了25到35位其他機構的研究生來Omega做研究。
雖然跟NIF以192束雷射光產生的一百八十萬焦耳比起來，Omega的60束雷射光產生的三萬焦耳實在是小巫見大巫；但是Omega可以快速的再運轉、低運作成本和他非機密的地位設定使得Omega可以做的實驗遠多於NIF。比起NIF光束一天最多只能打三次，Omega每日可達十五次；而且NIF一年只開放18天給非武器實驗。LLE的主任麥可·坎貝爾（Michael Campbell）說，雖然只有少數機密的實驗會在Omega做，但是其他的實驗對武器物理學也非常相關。
Omega自1995年成立後，2008又再設置Omega EP，增設了四光束雷射（four-beam laser）和一個靶室。這兩個設施可以以共同運轉模式一起加熱同一個靶室內的靶丸，其中一個例子就是用EP做X光攝影紀錄下用大型雷射讓靶丸內爆時的狀況。
坎貝爾說Omega每年2100個實驗裡有六成是羅徹斯特大學以外的使用者做的，其中約有300個是美國、歐洲和日本來的研究員做的，其他的都是國家實驗室的科學家。在Omega的很多研究對NIF有貢獻；舉例來說，LLNL的科學家在Omega做的實驗比在NIF做的還多，又譬如NIF的鈽實驗方案就是在Omega用替代金屬實驗後擬定的。
缺乏監督2019年的預算打算暫緩Omega的研究，也就是中止研究ICF最直接的方式：將雷射打在核燃料的膠囊上使核燃料產生內爆。預計在2020年要上路的ICF替代方案也會因此而不得不執行，因為沒有回頭路了（請參閱2016年六月17號Physics Today的新聞「NIF may never ignite, DOE admits」）。
NIF的實驗都是用間接的方式研究ICF，他們是將雷射光束打在裝核燃料的圓柱腔上，讓腔體發出的X光驅動核燃料的內爆。2009年NIF完全建構好時，計畫的管理階層非常有信心在2012年一定可以完成點火。誰知道天不從人願，這把火到現在都還點不著。
說到NIF，預算也被砍了五千七百萬美元（約十七億新台幣）剩下兩億八千七百萬美元（約八十六億新台幣），也就代表打光束的數量被迫減少三成。設施總監馬克·赫爾曼（Mark Herrmann）對NIF的預算縮減的評論是:「這雖然成功的打擊我們對核儲備管理的貢獻，但會使點火的成果會急遽的減少甚至可能會完全停止。」他也提及，這個預算剛剛好砍在我們往點火之路持續邁進的時候，尤其是過去一年左右NIF的核融合能量輸出其實已經倍增了。
對NIF和Omega而言這還不是最糟糕的，NNSA停止資助通用原子公司的靶丸製造計畫，這兩個實驗室只好將分別為一千六百萬美元（約四億八新台幣）和八百萬美元（約兩億四新台幣）的費用自行吸收。
第三個研究ICF的設施，Z脈衝功率設施，乍看之下經費從去年的一億一千萬美元（約三百三十億新台幣）提高到一億一千八百萬美元（三百五十億新台幣）。但那是因為他們將近一半的收入是從非ICF武器科學計畫來的，他們的ICF部份依然是從今年的六千三百萬美元（約十九億新台幣）掉到五千七百萬美元（約十七億新台幣）。
這次ICF預算縮減其實是因為2019年度NNSA的預算書裡要求增加十八億美元（約五百四十億新台幣）到一百一十億美元（約三千億新台幣）來資助所有核武器相關活動造成的。提高的金額主要是為了增加彈頭的使用期限、加速基礎設施改建和維修老舊武器製造綜合設施。
兩個熟悉ICF計畫的消息來源指出ICF經費縮減部份是因為NNSA少了國防項目事務副局長（譯註：雖名為副局長，但其實是國防項目事物的負責人）。該職位從川普總統宣佈就職之後就一直空在哪裡。
白宮在今年二月26號提名現任LLNL的武器與複雜整合（Weapons and Complex Integration）部門的首席副主管查爾斯·維頓（Charles Verdon）擔任國防項目事務副局長。在被提名前幾天，維頓告訴記者關於ICF的預算縮減是因為這些實驗室沒有盡力教育其他NNSA的官員ICF計畫的重要性。
看起來這些ICF研究計畫的經費縮減案不會在國會原封不動的通過。紐約國會代表團團員們已經宣示他們不會讓政府關掉LLE。紐約州的民主黨參議員查爾斯·舒默（Charles Schumer ）在一個聲明裡提到：「關閉羅徹斯特大學雷射實驗室的大門是個非常糟糕的決定。」他說：「那不僅僅是造成340位的高科技工程師和科學家失業而已，那還會造成人民對國家核庫的安全、祕密和保存的不信任。簡單來說，我會盡全力去避免政府做出錯誤的決定。」紐約民主黨眾議員露易絲·史勞特（Louise Slaughter）和共和黨眾議員克里斯·科林斯（Chris Collins）也不分黨派的反對關閉斯特大學雷射實驗室的提案。
本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, April 2018 雜誌內(Physics Today 71, 4, 29 (2018); https://doi.org/10.1063/PT.3.3895)；原文作者：David Kramer。中文編譯：朱家誼 博士，國立中興大學物理系 博士後。
Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by David Kramer, and is published on Physics Today 71, 4, 29 (2018); https://doi.org/10.1063/PT.3.3895）. The article in Mandarin is translated and edited by Dr. Chia-Yi Ju, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.