​大国重器——激光惯性约束聚变（上）

来源：中国物理学会期刊网

王巧巧  中国工程物理研究院研究生院

激光惯性约束聚变被认为是人类工程物理科技领域的顶峰，这不仅是因为其实现技术难度极高，更因为其研究具有重大的科学意义。通过可控核聚变解决能源问题固然是激光聚变的研究目的之一，但其应用领域却显然不仅限于此。

作为一种非常重要的能量来源，人们对核能并不陌生。众所周知，核能可以通过三种核反应之一释放：核裂变、核聚变和核衰变，其中前两种方式可以为人类提供大量能量。核裂变是指由重的原子核(通常为铀或钚)分裂为两个或多个质量轻的原子的一种核反应方式，如原子弹的爆炸；核聚变是指由质量小的原子(通常为氘或氚),在一定条件(如高压和超高温)下发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，随之释放巨大能量的一种核反应方式，如氢弹的爆炸。由于核裂变较容易实现，而核聚变的实现比较困难，因此原子弹的问世要早于氢弹。

图1 核聚变过程示意图

核聚变相对核裂变有诸多优点。首先，核聚变释放的能量一般来说比核裂变释放的能量更大。理论上核聚变反应的质能转换率为0.7%，而核裂变反应的质能转换率为0.13%，仅为核聚变反应的四分之一左右。所谓质能转换率就是质量转换为能量的能力。根据爱因斯坦质能转换方程(E=mc2)，质能转换率越高，意味着同质量转换的能量越大，这种能源就越“厉害”。其次，核聚变的原料可以从海水中提取，取之不尽用之不竭。而常见的核裂变反应原料铀235储量却十分稀少；更重要的一点是，核聚变几乎不会产生放射性的污染物，清洁安全也是核裂变反应难以比拟的。

正是由于核聚变具有能量高、原材料丰富、清洁安全等特点，因此人类对核聚变能量的使用无限神往。自然界本身就存在着稳定输出的核聚变能量。我们头顶的太阳就是靠着核聚变反应维持的。如何利用核聚变为人类提供无穷无尽的能源，已成为自发明火(化学能)、电(电能)后，实现下一次文明飞跃的关键所在。

目前，世界上核电站所使用的核能均来自于核裂变过程。从1942年可控核裂变人工反应堆诞生起，经过近80年发展，其技术已经较为成熟。然而可控可持续输出的核聚变反应堆却尚未实现。

为什么核聚变能量的稳定获取比之核裂变要难得多呢？

最主要的原因是两种反应所依据的物理规律不同。核裂变的原子核质量较大，且本身不稳定，因此只要常温常压的环境就能实现裂变反应；而核聚变反应则不同，它需要克服原子核之间巨大的静电排斥力。没有足够的能量或特殊环境去打破静电排斥力的临界点，人们就无法把原子核融合在一起，同时释放出巨大能量。

我们如何为核聚变创造特殊的环境(高压高温)呢？

以大自然最常见的核聚变反应——太阳为例。巨大的质量使其内部形成高达2000亿个大气压的超高压力，再加上1500万度的温度，就可以把氢原子聚变成为氦原子。非常遗憾的是，在地球上超高压条件是无法实现的，进而人们就只能在“高温”这个条件上下功夫了。也就是说，要想实现核聚变反应，我们需要把温度提高到上亿度才可以。

因此，实现可控核聚变反应须解决两个最重要的问题：第一，如何将核聚变反应的材料加热到这么高的温度(解决“怎么点燃炉子里面燃料”的问题)？第二，将核聚变反应的材料加热到这么高的温度后拿什么来装它(解决“怎么防止燃料将炉子烧穿”的问题)？

我们先看第一个关于加热方法的问题。

1960年激光器的诞生为如何将物质加热到极高能量这一问题打开了一扇门。前苏联科学家最早提出利用激光加热核聚变反应的材料。他们认为该方法可以获得较高能量，且无需与被加热物质直接接触，这类似于将阳光聚焦之后点燃木屑。由于单个激光器的输出能量太低，因此需要将多个激光器的能量聚焦到同一点。这个问题看似简单，实则非常困难：加热过程中必须保证在短暂时间内，被加热物体所有方向均匀受热，一致向球心坍缩。这不仅需要异常精确地控制每台激光器的对准方向，还要严格控制极短时间内每台激光器的输出能量。

第二个是关于“容器”的问题。上亿度的物质足够烧毁任何与其相接触的东西。那么就算能将这些反应材料点燃，我们拿什么来盛放它呢？目前一种主流的技术方案是采用惯性虚拟这个“容器”，也就是我们常说的惯性约束聚变(ICF)。

ICF的“竞争”对手是磁约束聚变(MCF)。磁约束聚变是以稀薄氘氚气体放电形成等离子体，在电磁约束下剧烈压缩并持续数秒使聚变反应开始。MCF主要以托克马克(Tokamak)装置为主，国际上具有代表性的托克马克装置有美国DIIID、欧洲的JET、日本JT-60、俄罗斯T-15 等。

ICF亦是实现可控热核聚变的主要途径之一。相对于MCF，ICF具有驱动部分与聚变反应堆部分在空间上分离、互不干扰的优点。它利用内爆产生的向心运动物质的惯性来约束高温热核燃料等离子体。可用于ICF的驱动器主要包括高功率激光装置、Z箍缩装置和重离子束装置等。Z箍缩驱动是依靠轴向电流产生的电磁力，使等离子体箍缩并向轴线运动。丝阵Z箍缩装置通过高功率脉冲装置，驱动柱形金属丝阵负载，使其加热、融解、气化并向轴心箍缩，进而释放极强的X射线辐射，利用强X射线压缩靶丸进一步实现聚变。

重离子束驱动(HIF)则是另外一种实现ICF的方式。通过多束重离子轰击靶丸，将氘氚燃料压缩到上千倍的固体密度，进而实现聚变点火。从技术角度来看，激光器技术发展得最为成熟。目前国际惯性约束聚变研究的重点是激光驱动惯性约束聚变(LICF)。

LICF是直接利用激光或者利用激光产生的X射线作为驱动源，均匀地作用于装填DT燃料的微型球状靶丸外壳表面，烧蚀形成向外膨胀的高温高压等离子体，利用反冲压力，使靶的外壳极快向心运动，压缩DT主燃料层到每立方厘米几百克质量的极高密度，并使局部DT区域形成高温高密度热斑，从而达到点火条件；这些热核燃料飞散前，进行充分的热核燃烧。

我们可以将LICF归纳为四个阶段：强光辐照、内爆压缩、聚变点火和聚变燃烧（图2）。强光辐照是激光束(或X光)快速加热靶丸表面，形成一个等离子体烧蚀层；内爆压缩是利用靶丸表面热物质向外喷发，从而反向压缩燃料；聚变点火则是通过向心聚爆过程，使DT核燃料达到高温、高密度状态；聚变燃烧是热核燃烧在被压缩燃料内部蔓延，聚变放能大于驱动能量，获得能量增益。

图2 激光惯性约束聚变各阶段示意图

从驱动方式角度来讲，LICF有两种不同的驱动内爆方式：直接驱动和间接驱动。在直接驱动过程中，激光束直接辐照内爆靶球，压缩聚变燃料使其到达点火和自维持燃烧条件(图3)。直接驱动具有激光能量利用率高且靶构形简单的特点，但其对激光束辐照均匀性的要求很高。

图3 激光直接驱动惯性约束聚变示意图

间接驱动则利用激光照射高Z材料组成的黑腔产生X射线，X射线驱动靶丸内爆实现聚变（图4）。在间接驱动过程中，激光能量被黑腔内壁吸收，腔壁升温、电离，同时辐射出大量X射线。利用这些X射线驱动内爆靶球，压缩聚变燃料使其到达点火和自维持燃料条件。

图4 激光间接驱动惯性约束聚变示意图

间接驱动具有较好的辐照均匀性，但是需要研究“激光-X光转换”这一复杂的辐射流体力学过程。当一束强激光照射到黑腔内壁时，在初期非常短的时间内激光能量通过多光子过程被吸收，内壁物质电离产生自由电子。如果动能足够大，自由电子将通过碰撞过程加速物质的电离。一旦部分电离等离子体形成，后续的激光能量将主要通过光子与电子相互作用过程(逆韧致吸收过程)被吸收。黑腔壁为高Z材料，吸收的激光能量大部分在电子热传导区转换为X光；这些X光在腔内传输，通过腔壁吸收和再发射过程使得激光光斑处产生的非平衡X光被“改造”为充满整个黑腔的均匀软X光。黑腔内X光的温度与激光能量、激光波长、黑腔大小、腔壁材料、激光入射孔大小等有很复杂的关系。激光-X光转换过程是一个典型的非平衡辐射流体力学问题。

除了直接驱动和间接驱动外，国际上也有研究小组在探索其他的驱动方式，例如我国科研人员提出混合驱动概念等。（未完待续）

本文选自《现代物理知识》2019年第3期    时光摘编