如何利用激光聚变获得电能，一位老学者的判断
导语
美国东部时间2022年12月13日上午10时，美国能源部召开了一场影响世界的新闻发布会。相关发言人在会上宣布，科学家首次在美国国家点火装置(NIF)中实现了净能量的激光聚变增益，这一发现使得高能激光再一次出现在人类科学舞台的中央，如何利用高能激光驱动聚变反应，已经成为了一个世界关注的科技热点。早在2019年，曾任美国海军研究实验室激光等离子体部门负责人的Stephen E. Bodner教授，就曾以“The path to electrical energy using laser fusion”为题，在High Power Laser Science and Engineering上发表过论文，介绍了受激光驱动聚变反应的科学原理和技术细节，同时也在文章中做出了属于他的技术预判。
High Power Laser Science and Engineering 2019年第7卷
激光聚变计划，一项跨越一
个甲子的伟大工程
作为人类科技史的巅峰，核聚变反应成功地将人造太阳的科学蓝图付诸现实，自核聚变反应的理论及实验基础趋于完备后，人类就掌握了重塑世界的力量。核聚变反应能够在极短的时间尺度内产生出极其惊人的能量，聚变反应在不受人为调控自由进行时，就成为了一柄悬在地球上空的达摩克里斯之剑。但如果加以控制，聚变反应就将成为一种极具应用前景的清洁能源。可控聚变反应需要精准的控制方式和严苛的反应条件，一般来说具有两种较为理想的实现方式：磁约束聚变和惯性约束聚变。惯性约束聚变利用高能激光轰击微型聚变靶，靶面的物质在充分吸收能量后产生表面冲击力，致使聚变物质发生高密度压缩，同时也会产生足够支撑热核燃烧的高温，进而推动微型热核爆炸的发生，释放出巨大的能量。
激光核聚变的理论构想最早诞生于上世纪70年代初期，由于能够获得相对最高的净聚变能量，该方案一直备受研究人员的关注。最初研究人员所遇到的困难，主要集中在等离子体的不稳定性上，这一缺陷也导致了诸多问题的出现。随着研究的深入，研究人员发现，球形的靶体结构能够使激光光束对称辐照，是一种首选的技术优化方案；在靶体结构的设计方案被确定后，研究人员开始将目光放在驱动所用的激光上，事实证明，具有较高光束质量的深紫外宽带激光器是驱动聚变反应的重要方式。
图1 正在检查激光聚变装置的工作人员
(图源：LLNL / NIF)作为激光聚变反应领域上马最早的国家级项目，美国国家点火装置(NIF)将激光驱动聚变反应的技术提升至巅峰水平，和任何攀登科学高峰的旅程一样，NIF的技术发展也伴随着无数的失败，以全局发展的宏观角度来看，这些失败是具有一定启发和指导意义的，正是有了无数次的试错，如今的NIF才能实现聚变点火的壮举。
NIF的试错之路：求解聚变靶轰击
模型仿真与驱动激光器抉择的双
重难题
NIF的前身是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室，上世纪七十年代早期，该实验室研究人员通过计算机模拟，预测了千焦量级的红外脉冲激光在辐照DT燃料时将使其发生聚变反应，进而产生净能量增益的现象，这也开启了激光聚变方向相关研究的科学之门。但当实验研究正式起步后，一系列的问题便接踵而来。最先出现在研究人员面前的，是驱动方式的问题，在数次尝试后，研究人员选择了间接的驱动方式，即：将球形聚变靶放置于一个圆柱形金属“罐”中，激光从罐两端预留的小孔入射，驱动聚变反应。这种方式解决了若干棘手的问题，但它的能量耦合效率却令人担忧，激光聚变方案的设计初衷是为了探索可商业化的新型能源，但低耦合效率则这一目标难以实现。
在之后的几十年间，对于间接驱动方式的优化也在持续着，大体上围绕辐照聚变靶的激光是否对称，以及激光在金属罐入射口处的聚焦方式等两个方面的问题进行。这一阶段研究人员所面临的主要困难，则集中在计算机理论模拟和实际实验现象表现不符这一点上：由于实际的等离子体运动方式很难被精准预测，因而最终所得到聚变反应的实际效果也总是差强人意，这一点在NIF创立之初也曾被考虑到了，后来当NIF遇到技术难题时，也属于预料之中。与NIF激光聚变实验同期进行的其他研究，大多也都遇到了激光辐照聚变靶几何模型难以计算，以及激光等离子体不稳定性难以控制利用等问题。
除了聚变靶轰击模型难以被精准仿真外，NIF还面临着驱动激光器种类难以抉择的问题。NIF一开始在玻璃激光器上进行了大量的投资，但玻璃激光器自身的带宽限制了其在驱动聚变反应时的效果，光学参量放大器被认为是一种有望改善这一现状的利器，但相关的研究并不成熟，仍然需要进一步的探索。Stephen教授认为，准分子激光器是一种极其优秀的光源备选方案，它不仅具有极大的带宽和极高的光束质量，还有着相对更低的技术风险，但美国政府的高层管理人员，却因为玻璃激光器驱动方案已经存在大量 “沉没成本” 的逻辑谬误，而拒绝为准分子激光器的方案提供发展经费，这也成为了NIF所经历的坎坷。
想要实现激光聚变发电，至少需要
满足这些要求
从运行原理的角度分析，高能激光对于DT燃料的作用，主要集中在升温、加压等两个方面：其中DT燃料的升温占据了能量吸收的大头，高度压缩的燃料会吸收激光辐照时所传递的能量，并将其转换为热能，使得自身温度不断升高，当温度超过点火阈值时，聚变反应便拥有了运行的条件。一个常见但有误的观点是，在点火完成后，聚变产生的能量增益主要通过提高驱动激光的单脉冲能量来获得。实际上，我们可以通过一个函数关系来理解这一过程：当激光能量(EL)低于点火所需能量时，能量增益(G)远低于1；当EL被提高至点火能量附近时，增益曲线开始迅速上升；当EL远高于点火能量时，G的实际数值会取决于热核燃烧和激光能量转化的总效率。任何一个效率转换过低，都将影响商业的聚变发电的效益。总而言之，在达到点火温度之后，驱动系统还需具备较高的转化效率，使得能量增益处于较高水平，这样才能实现有实际商业价值的激光聚变发电。
图2 目标靶室：NIF的奇迹应许之地
(图源：LLNL / NIF)从硬件需求的角度来看，作者认为已被实验验证的成功激光聚变内爆反应需满足以下几个硬件方面的需求：驱动激光器必须工作在紫外波段，最佳的波长分布范围为190~250 nm；
1）驱动激光器必须具备较大的带宽，理想带宽分布范围为3~5 THz；
2）驱动激光器必须具备较高的光束质量，以获得平滑的光束强度分布；
3）驱动激光的聚焦剖面大小可调，内爆过程中向内变焦，与聚变靶的大小相匹配，并协助等离子体保持压力均匀性；
4）DT燃料周围需环绕一层低密度的CH泡沫，同时需镀上一层薄薄的金属（金和钯的合金）涂层；
5）驱动激光器在开始工作后，需要被精准调谐。
以上是几个较为常见的硬件需求，除此之外，还有更多的技术细节待研究人员发掘。Stephen教授认为，对于使用玻璃激光器的研究人员来说，上述要求仍然是他们难以逾越的鸿沟，准分子激光器才是较为正确的选择。此外，还有一些对二极管泵浦固体激光器 (DPSSLs) 是否适合作为驱动激光器的讨论，作者也在文章中做了分析，最终得出了DPSSL商业化聚变发电可能性微乎其微的结论。
图3 正在工作的准分子激光系统
(图源：coherent.com)从工程管理的角度分析，由于搭建激光聚变装置的组件具备可分离性，对于靶室、激光器以及反应腔的设计应该是并行开展的，相较于磁约束聚变反应而言，激光驱动聚变装置没有过多的原理性探究，如果无法造出符合要求的激光器，那么对于其他装置的指标要求都只会是空中楼阁。也就是说，在设计激光驱动聚变装置时，设计师往往需要综合考虑多个方面的因素，这是一个环环相扣的设计过程，一旦其中的某一环出现了问题，将对整个装置产生较大的影响。文章作者Stephen教授在退休前，曾主导了一项高平均功率激光器研制的项目 (HAPL)，该项目由美国海军研究实验室管理，涉及到30余个具体的工作机构，这项工作也将成为激光聚变方案新的科技基础，将为激光聚变装置提供满足指标需求的高质量光源。Stephen教授认为，激光聚变发电的研究过程应该具备完整的技术链条，各个阶段的研究均需要解决实际的技术问题，并为下一阶段的工作做好准备，这样做虽然较为缓慢，但也不失为一种偏重理性的研究策略。这一思想非常符合美国的营地战术，即问题逐个去解决，其战术核心是顶尖科学家能指出营地在哪里，才能逐步推进解决问题。
总结与展望
资讯链接：
https://optics.org/news/13/12/18/NIFref03M
文献链接：
https://www.researching.cn/articles/OJ81d470c098081b4e科学编辑 | 佚名
编辑 | 金梦菲菲
END
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