高增益激光聚变，剑指终极能源 | 吴栋专栏

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作者 | 吴栋 上海交通大学 副教授

自2021年起，国际激光聚变领域最重要奖项泰勒奖章获得者张杰院士每年都为上海交通大学致远学院大三本科生主讲“ICF物理高级研修课”，另一位泰勒奖章获得者阿采尼教授作为课程顾问，也全程参与了这门课的设计与讲授。两位泰勒奖章得主联袂给本科生讲授ICF物理课程，大概率造就了国际ICF物理发展史上的一大奇观。作者有幸作为青年导师之一全程参与了课程设计以及导论、导读、研修和研讨阶段的学习。本文的主要素材正是来自该课程。远晓辉老师和吴福源老师阅读了本文，并给予了宝贵的修改意见和建议。

一、核聚变能是人类终极能源候选之一

“人民对美好生活的向往，就是我们的奋斗目标”，而美好生活的物质基础就是能源。以能源利用水平为标志的三次工业革命，让人类从原始时代进入到蒸汽时代、电气时代、信息时代，现在正在快速地迈向新的时代。实际上，三次工业革命的本质都是能源革命。从 60 年前开始，人类开始把受控核聚变能作为人类社会的终极能源候选对象加以研究。一方面，从反应方程式来看，每对氘氚核聚变反应所释放出的能量为17.6 MeV，而化石能源发生化学反应所释放的能量仅为eV量级，核聚变能的效率是化石能源的几十万倍以上；另一方面，核聚变反应堆的主要燃料仅需要氘和氚，而一立方公里海水里就有大量的氘，所产生的聚变能相当于世界上所有已经探明的石油储量燃烧所释放的能量总和；第三，氘氚核聚变不会产生长寿命的核废料。

图1 氘氚聚变反应示意图

二、激光聚变点火为什么这么难？

氘氚核聚变反应需要克服氘氚原子核之间的库仑势垒，因此需要氘氚离子间的质心动能达到keV以上。核聚变反应截面的大小对于质心动能的变化非常敏感，在1~5 keV这个能量区间，反应截面的大小近似地与质心动能的四次方成正比，并在质心动能为64 keV时达到峰值。在热平衡状态下，高温氘氚等离子体会通过韧致辐射损失能量。通过简单的能量得失计算会发现，实现氘氚核聚变点火的最低温度为4.2 keV，在该温度下聚变反应输出功率恰好与韧致辐射损失功率相等。氘氚聚变产生的氦离子动能可达3.5 MeV，为了使氦离子的能量能够沉积在燃料内部，实现自持燃烧，燃料的密度与燃料半径的乘积（面密度）必须大于一个临界值。在燃料温度为5 keV的条件下，使高能氦离子能量沉积所要求的燃料面密度约为0.3 g/cm²。受限于激光器能量以及实验室可承受的“爆炸”当量，氘氚燃料质量需要限制在mg量级。在燃料面密度以及燃料质量的双重限制下，通过简单计算可以得出所要求的氘氚燃料密度约为100 g/cm³。至此，我们知道在实验室里实现激光核聚变点火的必要条件是使氘氚燃料达到温度为5 keV密度为100 g/ cm³的状态。5 keV的物质温度以及100 g/cm³的物质密度所对应的物质压强是极其巨大的，约为300 Gbar，与太阳核心的压强相当。如此高温高密度的氘氚物质状态的获得是极其困难的，即便获得了这种状态其持续时间也是极为短暂的，这样的特点决定了激光聚变一定是一个瞬态过程，而持续时间正是惯性约束时间。

三、国外主流的激光聚变方案

上世纪70年代，Nuckolls 在Nature杂志上首次解密了一种基于内爆方式的激光聚变方案，即中心点火方案。该方案采用聚心的球形压缩，最终密度相对初始密度的压缩倍数与初始半径除以最终半径的立方相关，例如球的半径若被压缩10倍则会带来高达1000的几何乘数因子。中心点火是目前为止的主流点火方案。该方案通过高内爆速度来实现温度和密度的同时提高，以达到300 Gbar的点火条件。该物理方案本身的设计非常精巧，但是方案也存在一些内禀的物理困难，导致其能量利用效率非常低和最终燃烧阶段难以控制的问题。即使是2021年8月8日美国国家点火装置（NIF）里程碑式的实验发次，在输入激光能量为1.9 MJ的条件下，最终转化为燃料聚心动能的能量仅为20 kJ。虽然输出能量达到了1.3 MJ（对应靶增益为0.7），但距离能量增益>50的能源应用仍有相当大的距离。所以在过去的30多年的时间里，一些新型的点火方案相继被提出，这些新型点火方案的共同特点是在保持中心点火方案的优点的同时，避免中心点火内禀的物理困难。

解决中心点火的内禀物理困难的关键是尽可能提高激光能量到热斑内能的能量耦合效率。在1995年，Tabak提出了快点火方案，快点火方案的核心就是分离了压缩和加热过程。在温度-密度相图上（如图2）可以看出，中心点火方案是通过提高压强实现的（蓝线），但是这个过程中密度和温度都是不可控的，所以自然耗费的驱动能量也比较大。而一旦把压缩过程和加热过程分离（红线），即分别调控密度和温度，这将大幅度提高聚变的可控程度并节省驱动能量。

图2 中心点火与快点火方案的热力学路径比较

快点火方案的优势之一就是在相同驱动能量下聚变的增益更高。相比于中心点火方案，快点火方案产生的热斑密度更高，增益也更大，它有助于满足聚变能源所需要的高增益。优势之二就是不需要高速度的内爆。因为快点火不是单独依靠内爆动能来加热热斑的，所以它的内爆速度不需要那么高，因此其内爆过程也更加稳定。

在电子快点火方案提出的最初10年内，物理学家们做了大量理论和实验研究，但是最终仍没有成功点火。根本的原因在于，第一，快点火所需要的等离子体是一个等密分布的等离子体，而实验上通常采用球对称激光进行压缩，这种压缩方式不可避免的在高密度核心外存在低密度冕区。第二，考虑到皮秒激光到快电子的能量转化效率，快点火需要能量大于50 kJ的皮秒激光，而制造高能量的皮秒激光要比高能量的纳秒激光在技术难度上要大得多。在本世纪初，最大的皮秒激光能量也就是数个kJ。由于以上两个基本的困难，快点火没有取得根本性的突破。

四、中国点火方案：双锥对撞点火方案

张杰院士1997年提出了双锥对撞点火方案，该方案巧妙地融合了传统中心点火方案以及快点火方案的优点。双锥对撞点火方案是把氘氚燃料放到两个同心对称放置的金锥里。两端大能量纳秒激光对金锥内的氘氚燃料进行烧蚀，使其沿内锥面压缩与加速产生高密度等离子体。高密度等离子体从金锥口高速喷射出来并与对边金锥口喷射出的等离子体发生对撞，在对撞过程中燃料的动能变成内能，同时燃料的密度也会进一步提升，达到100 g/cc量级。在与对撞轴垂直的方向，还有两个加热的金锥，皮秒激光在加热金锥中产生强流快电子实现对高密度燃料的快速加热，使其温度达到5 keV以上。

图3 双锥对撞点火实验方案示意图

与中心点火方案相比，双锥对撞方案在相同辐照光强下的压缩激光的能量节省了2.8×1.44=4倍。2.8倍的来源是，金锥的平面开口角是100°，立体角相当于一个完整球面1/2.8。1.44倍的来源，是因为不需要完全依靠内爆动能对热斑进行加热，所以内爆速度是比较低的，因此又会节省一个1.44倍的能量。另外皮秒激光驱动的强流电子可以大幅度地提高加热效率，如果说中心点火方案是0.5%的加热效率的话，双锥对撞点火方案的加热效率至少是15%以上，因此双锥对撞点火方案的能量利用效率将会大幅度提升。

另外，由于压缩金锥内两团等离子体是全同的，内表面的密度最高，在出金锥口的过程中，冕区会被金锥口截掉。理论上讲是两团非常干净的量子简并的等离子体穿过了金锥口，对撞可以产生等密分布的氘氚等离子体。在张杰院士和朱健强研究员的领导下，激光团队现在正在研制数十kJ的皮秒激光。届时，双锥团队的皮秒激光能量将远远地领先于世界上其他国家。快点火方案的两个基本困难在双锥团队来看都可以得到有效解决。

结束语

在好奇心和梦想的驱动下，人类探索未知世界、追求美好生活的动力和愿望从未止步。作为科学研究的最前沿、大型光学工程的最极限，激光聚变如同一盏指路明灯，指引、激励着一代又一代科学家们为之倾力投入。经过七十年的不懈努力，人类已经站在了终极能源新世界的门槛之上，未来之门正在徐徐打开。

各位读者朋友们是不是看得意犹未尽，欢迎在评论区留言提问，小编会请吴老师为大家答疑解惑~参与互动还有机会获得惊喜大礼包哦！

作者简介

吴栋，上海交通大学物理与天文学院长聘教轨副教授、博士生导师，阳阳青年学者。2015年，于北京大学获得等离子体物理博士学位，2015-2021年曾在中国科学院上海光机所和浙江大学工作，历任助理研究员、副研究员以及特聘副研究员。研究领域为惯性约束聚变以及高能量密度物理，尤其擅长宏观尺度稠密等离子体的动理学理论建模和数值模拟。开发完成了国际上首套宏观尺度量子简并等离子体动理学数值模拟程序LAPINS，在强激光强流带电粒子与稠密等离子体相互作用以及惯性约束聚变中的量子简并等离子体的动理学研究方面取得创新和突破，形成了研究特色。在国际主流学术刊物发表一作或通讯作者论文超过30篇，获得首届国防基础科研核科学挑战专题高能量密度物理领域“科学挑战英才”称号，提出的包含等离子体屏蔽效应的韧致辐射模拟方法被英国华威大学EPOCH程序采用，获得的高马赫数量子简并等离子体对撞研究成果被应用到“双锥对撞点火”基准靶设计中。

编辑 | 金梦菲菲

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