谢兴龙

(中国科学院 上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，上海 201800)

引 言

自从发现热核聚变是太阳的能源后，科学家们就已经梦想能驾驭这种聚变的能量，但是将氢原子和氘氚聚合到一起，形成氦核并释放出巨大的能量，同时形成可持续的自持燃烧,这一过程在地球上是极难实现的。实验揭示，一场核爆所产生的喷射物质其高能量密度状态所呈现的压力和温度与太阳的活动同样量级，这直接催生了在实验室内利用小型核爆来实现聚变反应以获取能量的想法，早前的研究一直集中在磁约束聚变的方法上，到了上世纪60年代，随着高功率激光技术的发展，美国和我国科学家几乎同时提出了利用高功率激光驱动器轰击氘氚靶丸实现聚变反应的手段，并称之为惯性约束核聚变(ICF)。在惯性约束核聚变条件下，产生的等离子体燃料必须受控在1011atm大气压下，根据等离子体物理理论的要求，只有在获得的聚变能量至少实现得失相当，才能实现真正意义上的聚变点火。而高能量密度物理一个通俗意义上的判据是指：激光能量的沉积密度达到了1011J/m3的情况，依据这个界定，惯性约束核聚变(包括快点火聚变)属于高能量密度物理的研究范畴，它包括了：核材料特性研究、可压缩动力学研究、辐射流体动力学研究、惯性约束聚变手段研究等[1-3]。

图1 两种方式的激光惯性约束核聚变示意图

惯性约束核聚变研究不但在能源方面具有重要意义，由于其研究对象以及过程的特殊性，对一个国家的国防和战略安全也是至关重要的，因此包括美国、中国、欧盟以及英、日等其他国家和地区都投入了大量的人力和经费开展了相关研究。目前美国NIF装置、中国神光III装置是正在运行的最大的激光聚变驱动器，此外还有几大激光驱动装置正在设计和建造当中，惯性约束核聚变自从提出之后，历经50多年的发展，虽然取得了令人振奋的结果，但是也遇到了诸多的困难，这些困难尤其是体现在如何克服实验过程中所遇到的不稳定性、以及利用当前装置实现真正意义上聚变点火的过程和手段方面等[4，5]。本文将对ICF的研究以及激光驱动器的发展作一回顾，并对ICF研究所面临问题简单综述。

1 NIF与OMEGA的使命

利用高功率激光驱动聚变反应的研究，是美国核安全计划的一部分，这部分的研究工作主要集中在美国里弗摩尔实验室和罗切斯特大学，其目前的NIF装置与OMEGA装置的发展，贯穿了美国整个ICF的研究过程。

里弗摩尔实验室(LLNL)的ICF研究最早要追溯到上世纪70年代，1972年，Nuckolls在NATURE上发表文章，总结了利用激光束内爆来实现聚变的相关研究，该文章基于DT裸滴或者壳层的直接驱动内爆，指出在假定燃料是费米简并，而且产额不因热电子、不对称性或流体动力学不稳定性而下降的情况下，就可以吸收近1017W/cm2的激光强度发生内爆，如果达到了足够的压缩，1kJ的驱动能量就可以获得大于1的能量靶增益。1975年，Lindl和Mead在PRL上发表文章表示：直接驱动靶丸具有的R-T不稳定性增长速度远高于1972年所假定的速率；在点火所需的1到100kJ高强度激光下，吸收下降和超热电子产生将严重使直接驱动内爆品质下降；激光束的质量也比直接驱动所需的内爆均匀性可允许的量值差很多；对于直接驱动内爆，激光束的非均匀性将给出一个小尺度的空间扰动源，会在内爆过程中被进一步放大，由此将ICF的研究由初期的直接驱动导向了间接驱动。

图2 192路NIF装置示意图

1974年，LLNL实验室搭建了双路的Janus激光装置，将B积分引入来评估激光系统的最大可聚焦能量，1975年，搭建了百焦耳输出的CYCLOPS系统，完成了首次激光驱动辐射内爆实验，获得了约104的中子产额，该实验的结果对间接驱动增强了信心，进一步推动了由均匀辐照的直接驱动方案向间接驱动的两边照射方案的转变，从而导致了采用20束、10kJ输出的Shiva激光器的诞生。Shiva激光建造之前，LLNL又研制了2路的Argus激光装置，1976年开始运行，从激光技术和物理实验两个方面对间接驱动进行验证，1978年，Shiva激光器建造成功，Shiva的实验结果证实高达50%的吸收激光最终成为超热电子，为了使内爆靶丸燃料区保持近费米简并状态，需要低预热黑腔，为了检验预测低预热黑腔中烧蚀驱动靶丸性能的能力，安排了Nova先驱内爆研究实验(NPIRE)，将这些实验设计成使靶丸在130到140eV下内爆。从1976到1981年，利用Shiva装置研究了单壳与双壳两种靶作为可能的高增益靶。1979年NOVA装置开始建造，当时已经意识到Nova不能实现点火，所以设计了在未来装置上获得点火所需的数据库的对策，通过两条途径来检验高增益靶的物理学：1)利用尽可能接近的“流体动力学等当靶”(HETs)的系列Nova实验；2)利用极高能量的系列地下核试验。1980年利用罗彻斯特大学最早发明的KDP晶体的非线性转换这一有效机制，实现了三倍频，最高转换效率可以达到80%，1981年在Argus激光器上以100J水平、波长0.53μm和0.35μm的系列实验演示了改善黑腔耦合的研究，结果表明，超热电子水平降低到敞开式几何的水平，而黑腔中吸收入射光的份额几乎增加到100%。后向散射光总量也显著降低。1985年Nova满负荷运行之后不久，就达到了200至225eV的初始温度目标以及很低的超热电子水平[6]，1986年到1990年之间，利用Nova装置在间接驱动靶物理学方面取得了快速的进展，实验与定量模拟演示了内爆的对称性控制，完成了首次定量的R-T不稳定性实验，预期了脉冲整形的好处和内爆的辐射驱动温度定标规律[7]。1988年LLNL实验室通过地下核试验证实，激光核聚变实现点火要求的激光能量大约是5～10MJ。为了研究黑腔和激光等离子体相互作用物理学(HLP)以及流体动力学高能量密度物理学(HEP)，对Nova激光器进行了几项改进，包括功率平衡、瞄准精度和光束同步的改进。这些需求形成了“精密Nova计划”，于1993年完成，HLP实验要弄清楚黑腔等离子体条件对内爆对称性的影响和黑腔中各种等离体子集体效应(包括参量不稳定性)的定标率，HEP实验不仅将探索靶丸上能注量非对称性的效应，还要探索流体动力学不稳定性和混合的问题，把它们定标到尽可能接近点火靶丸(流体动力学高能量密度)。1993年初美国能源部(DOE)签署并批准了国家点火装置(NIF)的概念设计和研制任务，NIF在最初的设计中只考虑了间接驱动，激光系统的设计指标为：3纳秒脉宽时输出1.8MJ，总共192束。1997年，同期的直接驱动由于各项技术的发展，实现点火似乎也已经达到了很有希望的阶段，于是LLNL实验室在当年的季报中提出，随着追加束平滑和靶室上多束入射窗的实现，可使NIF具有间接与直驱两者的能力。

图3 OMEGA激光驱动器结构图

罗切斯特大学(NRL)的OMEGA装置建成于1979年，系统建造的目的是探索ICF直驱方式中的重要物理问题，包括：均匀辐照问题，流体动力学不稳定性问题，激光与等离子体相互作用问题等。1984年，NRL季报中分析了不同数量光束叠加对辐照均匀性的影响。指出在理想情况下，32束激光叠加就可以达到低于1%不均匀性的要求，但由于等离子体条件的变化、激光落点公差、形貌以及束间功率平衡有严格的要求，为了保证对激光和靶设计公差有较大的冗余，OMEGA升级装置选择了60束，1990年60束OMEGA装置升级完成，实现30kJ@3ω的输出。2005年OMEGA装置在原有束组的基础上，又增加了四束类NIF结构的激光输出，其中两束是可以分别输出1-10皮秒的KJ拍瓦激光束，用来研究快点火以及作为物理实验的探针光束。

2 欧盟ICF研究

在欧洲，ICF研究主要有3个重要的研究中心，法国主要围绕着PETAL/LMJ系统开展驱动器和物理研究，LMJ系统的设计指标完全参照NIF的设计，目前已经完成10路的建设，并逐步投入到物理实验方面，PETAL是一台输出3.5kJ脉宽0.5ps-10ps，功率7PW的超短脉冲激光系统，英国激光装置中心包括了VULCAN、ASTRA Gemini、ARTEMIS、ULTRA和OCTOPUS五大激光系统，其中火神(VULCAN)装置，是一个10路的钕玻璃系统，每路可以单独输出600J、1053nm基频的打靶脉冲，该系统是美国NOVA激光的完全复制，后期引进了美国皮秒PW系统拆除之后的压缩光栅，实现了1皮秒的超短脉冲输出，围绕着该系统，在ICF和高能量密度物理方面也开展了一系列的开放实验工作。第三个中心是伴随着欧洲超短脉冲激光系统ELI的提出，在捷克物理所发展的HiLASE计划，这是一台高平均功率的脉冲激光，其能量输出范围在mJ到100J之间、重复频率在10Hz到100kHz的高重频二极管泵浦的固态激光(DPSSL)系统，HiLASE装置建成之后将用于科研和高科技工业，2017年1月他们和英国联合，系统输出功率已突破了1千瓦[8-12]。

图4 法国PETAL激光系统

2006年，欧盟提出了HiPER计划，HiPER是欧盟致力于以高能量激光驱动惯性约束聚变为基础，发展清洁聚变能源技术为目标的大型研究项目，由英国科研委员中心实验室理事会(CCLRC)发起。该项目列为未来20年欧洲发展的主要科学基础设施之一，项目总部在英国卢瑟福阿普尔顿实验室，其核心任务是建造一台高重复率、聚变反应堆类型的大型激光装置，并使其最终成为一个灵活、反应迅速、能够适应多种科学研究的设施，最大限度满足聚变能研究与技术开发，以及诸如极端条件物理、实验室天体物理、核物理、强场物理等基础科学研究的需求，系统设计采用基于二极管抽运固体激光器(DPSSL)技术(电光转换效率为15%～20%、重复频率为10Hz)的激光器结构，2010年10月提出采用以冲击点火为首选，兼容快点火的直接驱动方案，期待着用最小的激光能量获得最大的增益。该项目分为三个阶段，2013年4月，筹备阶段确定了未来的阶段性战略，并在减少技术风险的同时解决财务、法律和管理问题，使项目得以进展，第二阶段为技术开发阶段，到2028年，主要有两大任务：物理方案论证及技术研发。一、物理方案论证：HiPER建造之前，必须在现有的大型激光装置(如LMJ or NIF)上，进行点火方案的全尺度实验验证。2016年LMJ装置建成前，将依托一些中等规模的激光装置，如PALS(捷克)、PETAL(法国)、Vulcan(英国)和Omega(美国)，进行所有的实验和数值建模。2016年后，一旦理论建模和实验验证足够成熟，LMJ上将启动点火攻关。随后，进行增益优化实验，提高激光聚变能的商业可行性。二、技术开发，包括(1)激光能源商业开发支撑技术、(2)燃料靶丸低成本制造、(3)靶室工程制造。第三阶段为设计与建造阶段(2020—2040)，进行电厂概念设计、投资评估、HiPER装置的工程建造、以及演示HiPER作为激光聚变能电厂的系统集成性和运行能力。在此框架下，HiPER发展了几种驱动器构型，英国STFC-RAL、法国LULI-CNRS(法国国家科研中心)和德国IOQ-FSU实验室基于DPSSL的方案，提出了DiPOLE计划(图4)这是一种低温的千焦耳级Yb∶YAG放大器结构，这种结构在LLNL 的Mercury激光系统上得到证实。它用与LMJ装置相似的光束结构，通过像传递和角度复用技术，焦耳级的单脉冲经两个相同的放大器四程放大后得到千焦耳级的能量，在175K温度下的输出能量为9.5J@1Hz/10ns，7.4J@10Hz/10ns，相应的光光效率为24%和23%。法国LULI-CNRS实验室同时也提出了一种HiPER激光驱动器方案，并称之为LUCIA计划，该计划是一种基于低温、低气压、静态气体冷却的有源镜放大器概念，每个放大器由12片小的有源镜组成，可容纳12路光束，其中9路光束将非相干叠加成所需的压缩脉冲，剩余的3路光束将相干叠加形成冲击点火脉冲。放大器链路设计采用了两程放大结构，为了获得1kJ的能量，种子光束将以20度入射到口径约100cm2的6个放大器片上，经变形镜反射后，光束双程通过放大系统，在300K的温度下获得了14J@2Hz/8ns的输出能量，光光效率为20%。

图5 DiPOLE激光驱动器构型

总的来说，欧盟在ICF方面的研究，目前以理论为主，实验方面以多方合作的方式进行兼顾，同时以欧洲科学家为主导，成立了一些关于ICF理论、模拟与实验的专门讨论会，定期召开研讨，吸引了许多的物理学家和激光驱动器方面的研究人员，进行广泛的国际化的交流合作。目前已经形成的重要会议包括IFSA会议、HIF会议、ULIS会议和DDFIW会议。

此外，世界范围内的其他国家，日本在2002年启动了FIREX计划，将完成世界上最大功率的高能量PW激光“LFEX”系统，俄罗斯也制定了UFL-2M计划，该计划进行了兼顾直接驱动和间接驱动，该系统为192路，输出2MJ的钕玻璃激光器，2017年，该计划第一阶段的评估和设计工作。

3 我国ICF发展状况

我国的ICF研究基本上与美国同步，从上世纪70年代就开始了大功率钕玻璃激光系统的研制，先后发展了单路激光和六路激光，并在六路激光系统上实现了104的中子产额，进入80年代，我国的激光聚变驱动器被命名为“神光”装置，1986年上海建成神光I，激光输出功率1212W，主要开展直接驱动与等离子物理实验，获得了109的中子产额，2003年神光II建成，系统输出3kJ/3ω/1ns，6kJ/1ω/1ns，状态方程实验中获得了一百万大气压的压强，2006年，神光II第九路激光建成，系统输出2.4kJ/3ω/3ns，2015年，在第九路上又实现了KJ、PW短脉冲输出，并开展了快点火的演示实验，该装置在实验室天体物理方面也获得了重要的实验进展，同年神光II升级系统建成并投入运行，8路输出总能量为40KJ/3ω/3n，目前该系统已经成为世界上继美国NIF之后的最稳定的ICF激光驱动系统。同期，2005年，四川绵阳建成了神光III原型8路，系统提供15-20KJ的3ω输出，2010年，神光III主机64路激光完成，提供150-200KJ的3ω输出。国家点火计划(神光IV)2010年开始启动，目前已经进入实质性的建造阶段[13，14]，计划在2020年或稍后建成，该系统包含288路激光，输出功率2MJ，设计功能以间接驱动为主，兼顾直接驱动。

图6 上海神光II升级装置和皮秒PW系统

4 ICF研究的现状

ICF激光聚变实验方面的研究，一直到目前主要都是围着美国NIF和OMEGA装置来开展的，其中以NIF为依托的实验主要瞄准间接驱动的方式进行，而以OMEGA装置为依托的研究主要瞄准的是直接驱动的方式，在理论和实验的探索方面，在不断克服困难的过程中，取得了很大的进展同时又遇到了新的困难。直接驱动方面，1998年，NRL实验室在文章中指出，通过束匀滑将辐照不均匀性降到1%以下；将激光波长转换到UV，降低峰值激光强度，使用光学束匀滑，降低LP的风险和通过预热烧蚀层改善R-T不稳定性之后，直接驱动相比于间接驱动更具有吸引力，这主要表现在1)直接驱动能量耦合效率高，有潜力获得最大化的靶增益；2)等离子体的球形发散喷发限制了激光与等离子体的相互作用，减少了LPI的不利风险；3)总体的球体对称性最小化了靶的物理复杂性；4)最小化了靶质量，可降低激光能量需求、靶成本和碎片质量。2016年，美国能源部的报告中指出，直接驱动与间接驱动一样可以成为实现ICF的三种可行的方法之一，这得益于OMEGA装置60束激光瞄准精度的提升，使辐照更加均匀，科学家在打靶实验中观测到非常好的靶丸内爆状态(燃料热斑压强大于50Gbar)。这已经将燃料压缩到点火条件需求的一半状态。2004年针对NIF装置提出了极驱动(PDD)的概念，NIF上的直接驱动实验使用polar-drive(PD)，如果在NIF现有结构上直接进行直接驱动，激光将从极点入射至垂直放置的柱状腔，导致极点位置处强度大于赤道面，赤道面的内爆速度远小于极点位置导致不可接受的靶不对称性。而在PDD中，人为调整来自极点和中低纬度的光束指向赤道面，以提高靶面辐照均匀性。2016年，LLNL实验室总结了NIF上的实验进展：1)黑体辐射腔峰值温度高于设计目标的300eV，激光注入能量为1.2MJ-1.7MJ时，激光至黑腔的耦合效率高达84%左右，通过使用高反照率的黑腔设计，将黑腔的峰值温度提升至320eV；2)得到了满足点火条件的热斑对称性条件：功率平衡，内锥和外锥之间的波长差，两个内锥之间加一个波长差值；3)冲击时序实验验证了达到设计点绝热线的必要性；4)测量了烧蚀质量和内爆速度的关系，与理论计算结果一致；5)优化冲击波时间和峰值功率时间及脉冲波形，达到了平面靶密度为ρr=1.5g/cm2。为设计目标值的75%，内爆核的面密度达到了1.6g/cm2。

NIF最近的实验结果证实，由于间接驱动存在的流体动力学不稳定性减缓了点火目标的实现，造成所有内爆的产额相比1D理论计算结果都小了10倍，1D模拟计算预测的压强是实验观测到的2到3倍，而大振幅低阶模式不稳定性解释了实验中压强下降的现象，为了对这种内爆中低阶模式不稳定性的进行溯源和测量，2017年，Campbell在ICF的一篇综述文章中提出了直驱的研究计划：1)在NIF的MJ尺度激光能量的直驱内爆中，用60束OMEGA激光进行点火—相关热斑压力的实验演示。为了实现这一目标，需要对流体动力学范围的低温靶耦合、内爆和减速阶段物理进行定量的理解。实现100Gbar的热斑压力，理解激光性能(到靶功率、光束质量和强度平衡)对内爆的敏感度，靶—束位置、靶品质和工程细节(如靶填充管和安装结构)也是该项目的目标；2)在NIF的MJ尺度激光能量中，理解和演示可接受的激光等离子体相互作用和靶耦合物理(激光—靶吸收、电子传输和印记缓解)、CBET和预热源(由TPD和SRS和从靶冕区穿透x射线的电子)；3)将NIF转换为球形直接驱动辐照的成本、进度和影响进行评估；4)强健的对称直接驱动α加热，低增益(G～1)和高增益(G>10)靶设计。实现高增益的LDD靶是ICF点火计划的最终目标，而不是第一个目标。在MJ等级的驱动器中，高增益靶在物理、驱动器精度和靶制造方面极具挑战性[15-17]。

并行的研究中，在点火方式研究方面，也相继提出了一些其它的点火方案，1994年提出了快点火方案，是把DT燃料的压缩与加热形成点火热斑区分开成两个过程。采用两种激光脉冲分别实现内爆压缩和点火：先通过纳秒脉冲将氘氚燃料压缩到极高的密度，但不要求形成中心热斑；然后将超短脉冲激光注入到靶丸中，激光与靶的相互作用产生了次级高能、高强度的电子或质子束，这些粒子束在被压缩后的DT燃料边缘沉积形成了局域的热斑，后续的传播燃烧过程等同于中心点火。相对中心点火，快点火方案所需的激光能量更低，但是对超短脉冲的信噪比等有极高的要求。2005年提出了冲击点火概念，跟中心点火的主要区别是，所采用的是激光脉冲的形状。在脉冲前部分，实现的是近等熵、低内爆速度的压缩，并在DT燃料的中心形成温度较低的热斑。在激光脉冲的后沿为峰值功率更高的冲击脉冲，脉冲宽度为数百皮秒量级，该脉冲产生的冲击波，将中心的热斑再次加热，并达到点火温度。该点火方案同时兼容了中心点火的结构简单和快点火的高增益等优点，降低了激光能量的要求，但是冲击脉冲的峰值功率基本接近了如NIF装置可安全运行的上限[18-22]。

虽然发展了多种多样的点火方式，并尝试了多轮试验，但是到目前为止，NIF的实验结果距离真正意义上的点火还有一段很长的距离要走。

5 结 论

激光约束惯性聚变有两种主要的驱动方式：直接驱动和间接驱动。直接驱动是将多路激光直接均匀辐照到球型靶上，烧蚀靶表面的燃料产生热等离子体，激光在等离子体中产生激波从而压缩靶丸达到点火。间接驱动则将激光照射到黑腔的高Z内壁上产生X射线，然后X射线辐照到球型靶丸上产生烧蚀、压缩、点火。这两种点火方式各有优、缺点，虽然当前的主流点火方式是间接驱动，但由于NIF一直没点火成功(当前Pτ值达到了点火条件的一半)，所以探索直接驱动的点火方式也是必然中的选择，两者相辅相成，互为补充。

由于直接驱动避免了间接驱动中激光与腔内气体以及腔壁的作用，因此激光能量转换成壳的动力能量更高效。理论上，直接驱动的能量耦合率是间接驱动的5到6倍。因此可以聚合更大的燃料质量。直接驱动由于没有黑腔的限制，所以点火方式更加灵活。间接驱动产生的黑体辐射是均匀且各向同性的，因此能够较为均匀地烧蚀靶丸。但由于黑体本身难以探测，所以很多物理过程的诊断很困难。以致于在找寻点火失败的原因时，很难精确地描述其中的机制。而直接驱动更容易诊断靶丸的烧蚀、内爆等过程，这不仅有利于研究诸如LPI(激光等离子参量不稳定)、粒子输运、CBET(交叉光束能量转移)、流体不稳定等物理过程，为间接驱动提供参考，还可以促进实验室天体物理的研究。

以OMEGA装置上直接驱动的数据作为参考，将OMEGA和NIF的尺度进行类比，考虑1.9MJ的驱动光源，其参数预估为Pτ～16atms，温度4.9keV，阿尔法粒子加热程度与间接驱动类似。将此数据与间接驱动进行比较，可以看出两者的差别并不大，而间接驱动的劳森参数要略高一点。当然，直接以小装置的实验结果推测大装置的结果会存在不少误差，但这还是具有参考意义的，它表明我们需要在直接驱动装置上考虑新型的点火方式。

但是直接驱动也存在着相应的问题，直接驱动的辐照不均匀，这是由于有限数量的入射光之间产生重叠，以及光束间能量的不平衡导致的。辐照的不均匀会使得烧蚀材料表面产生瑞丽—泰勒不稳定，其在内爆过程中会快速增长。瑞丽—泰勒等流体不稳定会破坏压缩对称性，从而导致最终压缩阶段的压强(Pt)及ρR达不到点火标准，有些情况下甚至会导致靶丸壳的破损。由于直接驱动是光直接烧蚀固体靶丸，因此等离子体的尺度及参数区间更大，相比间接驱动的LPI要更强、种类更多。间接驱动的等离子体密度一般在0.1倍的临界密度(nc)以下，而直接驱动的等离子体密度可以远远大于临界密度，而近临界密度处是很多不稳定的激发区间。直接驱动中受激拉曼散射(SRS)会散射激光能量并产生超热电子，等离子体密度越大，散射强度越强。大量的散射激光，可能会破坏激光驱动器。

通常直接驱动采用的激光频率一般为3倍频或4倍频，相对于间接驱动而言，整个过程中质量烧蚀率较低，自然靶丸烧蚀层比间接驱动要薄，这会提升超热电子对DT燃料层的预热，综合来看，直接驱动相对于间接驱动来说具有一定的优势，也许直接驱动结合其他灵活的点火方式在未来的一段时间有可能实现真正意义上的ICF点火。当然，直接驱动也有很多问题需要我们去解决，这是挑战，更是机遇。直接驱动的很多点火方式还没能在接近2MJ的大装置上展开实验，虽然未来是否能够实现点火还未可知，但前景是光明的。一旦点火成功，就是功在当代，利在千秋的伟业。

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