人类首次激光核聚变“点火”历史性突破-激光晶体为实现聚变里程碑发挥核心材料作用/激光晶体巨擘富加稼业
前沿 | 郑万国：人类首次实现聚变“点火”，激光聚变取得历史性突破
两江科技评论 2023-02-21 17:52 发表于江苏
以下文章来源于人工晶体学报，作者人工晶体学报
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编者按
2022年12月13日，美国能源部(DOE)及其下属的国家核安全管理局(NNSA)宣布，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)利用其建立的国家“点火”装置(NIF)，在人类历史上首次实现了聚变产能大于驱动聚变发生的激光能量这一“点火”里程碑。本刊编委、中国科学院上海光学精密机械研究所齐红基研究员第一时间对中国工程物理研究院国家某重大项目总设计师郑万国研究员进行了专访，访谈针对美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL) 国家“点火”装置(NIF)在人类历史上首次实现“点火”成功这一里程碑事件，详细解读和阐述了激光聚变“点火”发展历程、惯性约束聚变(ICF)的现在和未来，以及激光晶体在其中的重要作用等，并指出相关晶体材料的基础研究及关键技术攻关方向。访谈内容将对业内研究人员有重要指导作用。
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人类首次实现聚变“点火”，激光聚变取得历史性突破
郑万国1，齐红基2
1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心，绵阳 621900；2.中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800
郑万国(1966—)，中国工程物理研究院激光聚变研究中心研究员，博士生导师，中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室副主任，国家某重大项目总设计师。《人工晶体学报》顾问，中国光学工程学会常务理事，中国光学学会测试专委会主任、激光专委会委员。先后任国防科技大学、上海交通大学、中国科技大学、电子科技大学、南京理工大学和西南科技大学兼职教授，《强激光与粒子束》副主编，Matter and Radiation at Extremes编委。长期从事高功率激光技术与应用研究以及工程研制，在国内外学术刊物上发表论文400余篇，撰写学术专著2部，获国家科技进步奖3项。
以下内容中，“Q”代表齐红基研究员，“A”代表郑万国研究员。
Q
美国能源部及其下属的国家核安全管理局于2022年12月13日宣布在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)取得几十年来最大的科学突破，国家“点火”装置(national ignition facility, NIF)首次在可控核聚变实验中实现核聚变反应的净能量增益，在人类历史上首次达到了聚变产能大于驱动聚变发生的激光能量这一“点火”里程碑，发布会传递了哪些重要信息？
A
新闻发布会最核心的内容是向全世界宣布美国在可控核聚变研究上率先实现了实验室“点火”，即聚变放能超过驱动聚变反应的激光能量，利用2.05 MJ的激光能量驱动氘氚靶丸内爆，释放了3.15 MJ聚变能。应该说，本次发布会背后的聚变实验，是人类首次在实验室内实现增益大于1的可控核聚变，是惯性约束聚变(inertial confinement fusion, ICF)研究实现“点火”的里程碑事件，是载入人类史册的重大科技突破，为未来聚变能技术的发展打开了新的大门。图1是NIF十年间“点火”实验的聚变产能与激光最大能量对比。
图1 过去十年来NIF聚变产能与激光能量对比
发布会安排了与聚变实验相关的6个方面的科学家代表对各自工作进行了介绍，分别是实验、物理、驱动器、制靶、诊断、能源，其中前5个方面是实验室ICF的主要组成，而能源则是ICF在实验室聚变“点火”成功后，未来必然的发展方向。
除宣布“点火”成功外，发布会还提供了3个影响“点火”的重要因素分析：(1)能量提升对于实验优化提供了更多的冗余空间；(2)靶丸的缺陷在一定程度上不可避免，而且不可预测和控制；(3)在能量提升的基础上，采用大靶丸通过激光波形改善内爆不对称性。
Q
整个系统的输出能量大于输入能量是非常困难的，激光聚变是如何实现这一目标的？聚变反应的实现途径有哪些？科学家通过半个多世纪努力才取得聚变“点火”的历史性突破，其难点在哪里？
A
核反应包括核裂变与核聚变，其基本原理为：原子序数较高的重原子核分裂为质量较轻的轻原子核，以及原子序数较低的轻原子核融合为原子序数更高的重原子核时，质量发生亏损，根据爱因斯坦著名的质能方程，这部分损失的质量将转化为能量，并在原子核分裂或融合时放出中子，引起更多的原子核发生链式反应，从而释放出巨大的能量。迄今，人类已经实现对核裂变过程的控制，建造了裂变反应堆，实现了裂变能的利用，但裂变材料的储量有限，裂变过程存在过热的风险，且裂变过程会产生有害的核废料，利用其作为能源会带来一系列新的问题。相比之下，聚变利用氢的同位素融合产生氦并释放聚变能，其燃料放能比同等质量裂变燃料放能高出数倍，且不产生有害的核废料，同时地球上储存的氢同位素极其丰富，是人类理想的清洁能源来源，全世界的能源科学家和工程师为实现实验室可控核聚变共同努力了逾半个世纪！
实现可控核聚变的难点在于如何有效约束聚变放能时核燃料在高温高压下的膨胀飞散。若燃料燃烧不完全就飞散，则燃烧率低，大量燃料被浪费；若能够有效约束燃料飞散，使其充分燃烧，则仅需有限的燃料就可以实现巨大的聚变放能，实现能量增益。自然界中如太阳等恒星依靠自身巨大的引力，使聚变产生的物质膨胀与向内的引力约束达到平衡，轻核在太阳表层持续发生聚变反应，释放巨大能量。但在地球上想要产生约束核聚变反应的极端条件非常困难，需要达到所谓的“劳森判据”，即物质的温度、压力、约束时间的乘积达到一定数值，才能维持核聚变反应发生。人类为实现“劳森判据”的约束条件，提出了两种实验室技术路线，即磁约束聚变与前面提到的ICF。
磁约束聚变利用带电粒子在磁场中会受到特定方向的力这一原理，在稳定状态下利用强磁场实现较长时间的等离子体状态(聚变条件下物质处于等离子体状态)维持。这一技术路线的特点是，等离子体可以在较长时间内得到维持，在实现“劳森判据”时，相应的物质温度和压力可以更低，其代表性装置为托卡马克装置。
ICF利用物质运动的惯性力量约束等离子体快速飞散，并在约束的短暂时间内使聚变燃料充分燃烧。从物理原理上，太阳等恒星产生的引力约束本质上也属于惯性约束。但在地球上实现这一技术路线却难得多，其原因在于等离子约束时间短(通常在数亿分之一秒)，物质需要达到极端的温度和压力(亿度高温、亿倍大气压)。ICF通常利用激光、加速器等驱动器压缩氘氚燃料的靶丸，使其达到极端物质状态，代表性装置包括激光驱动器、Z箍束装置等。由于激光驱动的ICF涉及的物理过程和创造的极端条件与氢弹相似，可以用来研究核武器动作过程和武器效应以及核武器库存管理，所以成为禁止核试验条约签订之后美国核武库安全保障重要支柱之一。同时，ICF实验产生高温高密度物质状态，可以用来研究材料极端特性，研究宇宙起源，成为高能量密度物理研究的重要手段。
激光聚变是目前唯一实现了聚变“点火”的ICF技术路线，其基本原理如图2所示。将激光在特殊材料制备的黑腔内转化为X光，再利用X光对靶丸进行压缩，在数ns(数亿分之一秒)的时间内约束等离子体的聚变燃烧，最终实现能量增益。人们还提出利用另一束极短的、功率极高的激光对压缩后的靶丸进行“点火”，所需的激光作用时间仅ps量级(万亿分之一秒)，对激光技术提出极高要求。为实现激光聚变，人类历经半个多世纪，发展了极为复杂却极其精密的激光技术，实现了激光参数的精密调控，以满足极端条件下的精密物理实验需求。
图2 激光聚变的物理过程示意图
Q
1960年激光诞生后不久，世界各国的科学家就开展了激光核聚变研究，尤其是美国在该领域一直处于领先地位，其聚变“点火”研究经历了怎样的过程？
A
美国的激光聚变研究已经持续了逾半个世纪，建造了能量从小到大的系列激光装置，真正达到“点火”驱动能量水平的是美国国家“点火”装置(NIF)，也是世界上目前唯一建成并持续开展物理实验的聚变“点火”级激光装置，如图3所示。
图3 美国激光聚变驱动器发展过程示意图
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