HPL主编社论：NIF仍然是全球唯一一个能够进行ICF点火实验的装置

摘要：

HPL主编C. N. Danson和编委L. A. Gizzi代表期刊团队,祝贺2022年12月5日美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室相关团队在美国国家点火装置上历史性地实现净能量增益,并对这一重要研究成果发表社论.

1.追溯过往：

惯性约束聚变（Inertial confinement fusion,ICF）的概念,最早由当时加利福尼亚大学劳伦斯利弗莫尔实验室（即现如今Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL）Nuckolls等人、莫斯科列别捷夫物理研究所Basov等人在1972年发表的开创性论文中提出.Nuckolls等人在此篇文章的摘要中提到："高能激光驱动的内爆过程有可能将氢压缩到液体密度的1万倍以上.该方案有望使得重氢燃料有效燃烧,实用化的激光有可能驱动聚变能反应."

自此开启了全球国家协同努力的局面,美国专门花费了50多年的努力来认识ICF背后的物理机制,并最终实现了点火.从20世纪70年代中期开始,就有一系列能量和规格不断升级的激光器在LLNL里建造起来：1975年的Janus和Cyclops；1976年的Argos；1977年的Shiva；1983年的Novette；1984年的Nova以及现如今的NIF.期间伴随着多方面的发展,包括激光器、光学系统、激光和等离子体诊断技术、制靶以及模拟和预测所用的超算平台与程序.反过来,它们对于ICF工程的推进也至关重要.

由美国能源部的国家核安全管理局（National Nuclear Security Administration,NNSA）资助的NIF是目前世界上体量最大、能量最高的激光装置,由192路波长为351 nm的激光组成.如图1所示,它可将2 MJ以上的能量同时汇聚到靶室中心的毫米级靶丸上,设计和建造始于20世纪90年代,在2003年首次出光,并于2009年进行了第一次全面性实验.截至目前,NIF仍然是全球唯一一个能够进行ICF点火实验的装置.

图1. NIF黑腔：效果图展示了放置在黑腔内的靶丸以及从两端口入射的激光束.激光产生X射线来压缩和加热靶丸,直至达到热核聚变的条件.在NIF上开展的点火实验是50多年来ICF研究发展的结果,为探索以前无法达到的参数区间打开了大门.

（图片源自：劳伦斯利弗莫尔国家实验室）

2.当今发展：

2022年12月13日,LLNL召开新闻发布会介绍了这一重大成果,在入射激光能量为2.05 MJ的条件下内爆产生3.15 MJ的聚变能,这说明产生的聚变能量比传输到靶的激光能量要多的多.相比早前NIF于2021年8月8日第一次产生燃烧的等离子体,此次取得的能量增益达到154%.而此前的实验注入1.93 MJ的激光能量,最终产生1.35 MJ的能量输出,增益约为70%.

NIF采用间接驱动构型,含有氘和氚混合物的核燃料的毫米级靶丸被封闭在黑腔中,腔的内壁被192束NIF激光照射,产生强烈的X射线烧蚀靶丸的外表面,快速喷射出的等离子体会像火箭一样反向压缩核燃料.通过冲击波对靶丸的多次压缩,使得其密度增加4000倍.与汽车的柴油发动机原理类似,当燃料被压缩到点火所需的密度和温度时,聚变反应会从中心热斑开始向外传播,从而燃烧周围的燃料.

美国能源部长Jennifer Granholm在新闻发布会上宣布："这是21世纪最令人印象深刻的科学壮举之一."

LLNL的主任Kim Budil博士也在新闻发布会上表示："在通往聚变能源的道路上,科学和技术的挑战是令人生畏的,但当我们尽力做到最好时,看似不可能的事情就会成为可能.点火是第一步,是真正具有里程碑意义的一步,它为高能量密度科学和聚变研究未来十年的转型创造了条件,我迫不及待地想看看它将把我们带到哪里."

3.着眼未来

ICF的成功点火被学界认为是产生惯性约束聚变能（Inertial fusion energy,IFE）的关键里程碑,它支撑了IFE的原理设想,并为最终聚变发电这一现实规划提供了可行性验证.未来,LLNL预计将在NIF上继续进行实验,以证明点火的可重复性,并尽可能提高聚变增益,这对于IFE同样至关重要.

NIF点火实验虽是一个单发次事件,但表明ICF这一概念是可行的.通向聚变发电厂的道路还需要探索出更有效的新方案和新技术,以解决与能源生产有关的诸多问题,包括激光的重复频率和转换效率、靶的制造与放置、腔壁和含氚材料的制备.2022年6月,美国基础研究需求研讨会上曾对这些问题展开讨论,会议主旨为"探索在未来几十年实现安全、清洁的IFE所需的科学、技术和投资".

这些举措还旨在为越来越多的私营公司建立所需的生态环境,以吸引资金来开发未来发电厂所需的聚变方案和技术.预计NIF最新取得的进展将大大促进在全球范围内IFE的研究,促使一些国家推进其已有的IFE方案或设立新的聚变方案.

目前,欧洲正在考虑建立一个综合性的IFE项目,延续之前欧洲大型激光装置计划（European High Power laser Energy Research facility,HiPER）项目中使用的方法,通过现有激光装置及其延伸平台上的ICF相关实验进一步推动这一发展.HiPER项目主要研究基于直接驱动构型的新型点火方案,始于2005年,2014年结束.

过去,经典的直接驱动方案已经被广泛研究,但流体不稳定和激光等离子体不稳定的存在凸显了该方案的局限性.这些不稳定过程会产生大量的激光背向散射——受激布里渊散射,超热电子和预热靶丸.冲击点火等新型点火方案在第一阶段对靶丸进行适度的压缩,随后在压缩结束时利用一束高峰值强激光来产生会聚激波驱动点火.该方案有望以适中的激光能量来实现高增益聚变,并与其他新型点火方案一起被考虑用于IFE的研究.同时,其他一直参与ICF研究的国家正在重新设计它们的IFE方案,并拟定能源生产路线图.

在NIF上实现的ICF聚变点火实验,是从1972年Nuckolls和Basov提出开创性设想开始,经过50年不懈努力的成果.虽然现如今还存在着大量具有挑战性的科学和技术难题,但ICF点火可行性已不存在疑虑,IFE的不确定性也已被排除.聚变点火的未来征程仍可继续向前,让我们一起期待下一个里程碑式的成就！

原文阅读：C. N. Danson, L. A. Gizzi. Inertial confinement fusion ignition achieved at the National Ignition Facility – an editorial[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(3): 03000e40