大国重器——激光惯性约束聚变（下）
以下文章来源于现代物理知识杂志 ，作者王巧巧
介绍《现代物理知识》相关内容，推荐重点文章，宣传相关活动。
王巧巧 中国工程物理研究院研究生院
1960年激光问世以后，美国和前苏联就开始进行激光聚变研究。根据当时的理论计算，若想实现能量增益(核反应能量与驱动能量的比值)大于1，即装置可以实现对外输出能量，需要很高的激光功率和能量，且远远超出当时的技术和工艺水平，因此该项研究并未引起人们的广泛关注。
1972年，美国加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)系统研究了利用激光器直接驱动DT微球内爆实现高压缩热核聚变的技术途径，并给出激光强度达到1017 W/cm2条件下1kJ 能量实现点火的数值模拟结果。随后，洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)、KMS聚变公司相继阐述实现直接驱动激光聚变的主要物理思想及理论计算结果，从而引起了社会普遍关注。理论和实验研究表明，由于激光等离子体相互作用的限制，激光强度只能限制在1014 W/cm2至几倍的1015 W/cm2之间。考虑到流体力学不稳定性和激光等离子体相互作用的制约，激光能量100kJ以下很难实现内爆点火。此外，受限于当时的激光技术，激光辐照的均匀性也无法满足直接驱动内爆的要求。
1975年，采用间接驱动方式实现高增益惯性约束聚变的方案被计算证实可行。与直接驱动相比，间接驱动具有流体力学不稳定性增长水平低、受光束不均匀性和激光等离子体相互作用产生的超热电子的影响小以及几乎不受驱动源类型限制等优点。因此，自1976年起美国将ICF 的研究重点集中在间接驱动方式上。
20世纪70年代末到90年代中期，ICF研究进入快速发展时期。通过Shiva激光装置、Nova激光装置和Omega激光装置等一系列实验进行研究和评估，验证了激光等离子体不稳定性(LPI)、流体力学不稳定性及混合、高密度压缩等关键物理问题；理论设计了1.3 MJ 左右激光能量下实现聚变点火和约10增益的间接驱动靶；验证了建造1~2 MJ左右激光器技术的可行性。
在这些研究的基础上，美国国家点火装置(NIF) 于2009年建成，并于2010年开始进行点火物理实验。该装置的设计目的是用于验证聚变点火和燃烧获得中等增益。其设计输出能量1.8 MJ，最大功率520 TW，激光波长351 nm。在NIF装置建设的同时，美国又于2006年启动“ 国家点火攻关计划”(NIC)，用于实施与点火物理相关的理论、实验和制靶等研究。
NIF实验取得了巨大进展，诸多关键物理参数在不同发次达到或接近达到点火靶设计指标。但是，聚变点火相关的关键物理参数未能在同一发次达到设计目标，且部分指标低于预期。NIC计划结束后，人们继续在NIF装置上开展点火物理研究。
我国几乎在同一时期开始进行LICF研究。1964年王淦昌院士撰写了题为《利用大能量的光激射器产生中子的建议》的内部报告，文中提出利用激光打靶产生中子的实验想法。随后在邓锡铭院士领导下，中国科学院上海光学精密机械研究所开始研制高功率钕玻璃激光装置。1973年利用激光加热氘冰靶在实验室获得氘氘聚变中子。
中国工程物理研究院（中物院）是以发展国防尖端科学技术为主的集理论、实验、设计、生产为一体的综合性研究院。高温高密度等离子体研究是其主要研究领域之一。20世纪70年代中期，中物院开始从理论、实验、诊断、制靶和驱动器五个方面，开展激光聚变研究工作。
经过几十年的不断探索，我国已逐渐形成初具规模的激光聚变研究队伍，对激光聚变研究的战略意义有了深刻的认识。1988年12月，王淦昌、王大珩、于敏三位科学家联名致信中央，建议在国家高技术863 计划中增设惯性约束聚变技术项目。1993年8月19日，国家高技术863 计划惯性约束聚变技术专题正式成立。
我国激光聚变研究分为物理研究和驱动器研制两个主要方面，两者之间关联紧密，相互促进。随着激光聚变研究不断加深，我国在驱动器研制方面得到了长足的发展，先后研制出一系列人们熟知的激光装置，其中包括神光系列和星光系列装置。
2000年位于上海的神光-II 激光装置正式投入使用，我国开始系统地开展三倍频条件下(波长351nm)激光聚变主要物理过程的研究。在神光-II 激光装置上，科学家们针对解决辐射不透明度、等离子体均匀性等问题进行了一系列创新，实现了小尺寸黑腔、低入射激光能量下产生高辐射温度。六年后，神光-III原型激光装置投入使用，实现了黑腔辐射温度约230 eV，间接驱动内爆中子产额超过1010，LICF的研究更加系统和深入。2015年神光-III主机激光装置全面投入使用，其黑腔峰值辐射温度达到280eV，间接驱动内爆中子产额提高了两个数量级。在目前世界上已建成用于ICF研究的激光装置中，神光III主机激光装置的输出能量仅次于美国NIF装置。
在NIF实验影响下，英国、法国、俄罗斯、日本和中国等国家先后开始建设巨型激光设施。英国计划建造全球首座核聚变发电站，并计划在2030年左右将核聚变发电站产生的电力并入电网。英国研究理事会称“核聚变将在未来全球的能源体系中占据举足轻重的地位，英国不可以袖手旁观”。在法国兆焦激光器(LMJ)和欧盟超强激光构造计划(ELI)启动后，2012年俄罗斯宣布建造世界上功率最大的激光装置。为了降低研制风险，我国ICF点火研究采取从万焦耳级到十万焦耳级，进而发展到百万焦耳级的渐进式方案，即在万焦耳级激光器研究基础上，进行激光能量20到40万焦耳神光III装置研究，随后外推到激光能量约为神光-III装置能量4到5倍的神光-IV激光装置上进行ICF 研究和点火演示。
NIF装置位于美国加利福尼亚州LLNL，是目前世界上最大、最复杂的ICF研究装置（图7），主要用于在实验室条件下实现聚变点火的研究。
NIF于2009年正式建成，耗资约35亿美元。它主要由两部分构成：一部分是高能量紫外激光器系统，通过高能量紫外激光器系统将主振荡器产生的低功率激光脉冲修正、充分放大后，准确地聚焦在微型靶丸上。激光器系统的能量和功率分别为NOVA激光器的40倍和10倍，输出波长351 nm、总能量1.8MJ的192束矩形激光。聚焦前每束激光边长约为40厘米。每4束激光组成一个束组，共48个束组。总输出脉宽为4 ps，功率为500亿瓦；另一部分是靶室（图8），靶室球体直径为10米、重量450吨，可容纳近百个诊断装置，系统运行时必须启动近六万个高科技装置。靶室内安置一个放置靶丸的中空圆柱体(黑腔)，圆柱体内外为金衬。靶室球体外壳上的正方形窗口为激光束入口，圆形窗口用来安装和调节诊断装置。
实验进行过程中，十亿分之一秒内192束激光束同时发射(误差不超过30 ps)（图9），聚焦在靶室内直径约为0.44 cm的DT靶丸上，使其发生聚变反应。此时温度可达到一亿度，压力超过一千亿个大气压。这一过程将持续足够长的时间，以便人们精确地测量核反应的温度、压力及其他特性、反应过程。
在神光-II(1986年)与神光-III原型装置(2006年)的研究和开发基础上，中物院激光聚变研究中心会同国内200 多家单位协作，设计并搭建神光-III主机激光装置(SG-III)。该装置的设计总输出能量为180 kJ，峰值功率高达60TW，2015年建成并进行第一次全功率打靶，输出能量181.3kJ。在目前已建成用于ICF研究的激光装置中，神光-III 主机激光装置的总体规模和性能位列亚洲之一、世界之二，仅次于美国NIF装置，已达到国际先进水平。
神光-III主机激光装置由前端、预放大、主放大、靶场、光束控制与参数测量、计算机集中控制六大系统组成（图10）。（1）前端系统产生纳焦级的基频单脉冲(波长为1053 nm)后，经预放系统放大到焦耳量级，并进行光束的空间整形。（2）整形后的激光脉冲进入主放大系统，被进一步放大到约7.5kJ/3ns。（3）靶场系统则用于实现该装置的48束（6个束组）（图11）激光的准直引导、频率转换、谐波分离和精确聚焦。通过实现靶的精确定位和靶面光强的精确控制，满足各类物理实验的技术要求。（4）光束控制与参数测量系统负责装置运行期间光束的准直和波前校正，完成激光参数的测量。(5)计算机集中控制系统用于实现主机装置各大系统之间的统筹控制和管理。神光-III装置可实现黑腔峰值辐射温度~280eV，间接驱动内爆中子产额1012，约为神光-III原型装置的100倍。
法国兆焦耳激光装置(LMJ)是欧洲最强的激光器。1996年6月，法国与美国签署一项加强两国核合作的协议，美国同意与法国共享超级计算机模拟核试验所获得的数据，并帮助法国建造LMJ，为高能量密度物理研究提供实验能力，进而为法国核武器的安全和可靠性提供保证。LMJ由法国原子能委员会(CEA)军事应用局设计，其方案与美国NIF装置类似，设计总输出能量为1.8MJ。其种子脉冲激光波长为1053 nm，输出能量在纳焦量级，脉宽在纳秒量级。通过钕玻璃构成的预放大器，输出能量达到焦耳量级。分束后的激光注入到由更大口径钕玻璃构成的主放大器。LMJ由240束激光组成，每8束激光构成一个束组，共30个束组。与美国NIF装置一样，LMJ采用四程放大技术，将输入能量放大约2万倍。由于受到资金的制约，截止2016年LMJ仅完成两个束组的建设。
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。回顾激光诞生以来ICF五十多年发展历程，无论从国家战略需求还是学科发展角度，ICF已成为非常重要的研究领域和学科方向。
LICF具有重要的军事应用价值。人们可以通过对核爆模拟的建模和模拟程序的验证，复制微型核爆炸，对核武库进行评估和认证，确保在禁试条件下核武器的安全性和可靠性。相比其他技术途径，惯性约束装置更容易实现小型化，且开、关火控制性能较好，其在大型装备如航空母舰甚至宇宙飞船中的能源方面具有巨大的应用前景。
LICF 研究可以促进前沿学科发展。间接驱动方式是高能物理研究的重要平台。其产生极强的辐射源，可以为等离子体物理研究提供特有的实验条件，帮助人们在实验室条件下研究激光等离子体相互作用、强辐射与物质(尤其是等离子体)相互作用、高温高密度物质的结构和特性等重要科学问题。与此同时，正由于LICF 的工程实现难度极高，在其实现过程中不断整合各相关研究领域的力量，对机械、材料、光学、核物理等学科的发展起到了极大的推动作用。（全文完）