惯性激光聚变研究的焦点-国家点火装置（NIF）

2023年7月30日，美国的国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）利用192路激光束向悬浮在腔体内的冷冻氘氚靶丸发射了2.05MJ的能量，最终实现了3.88MJ的聚变能量输出，创造了新的能量输出记录。2023年12月，美国能源部（Department of Energy，DOE）宣布成立了三个新的惯性聚变能源（Inertial Fusion Energy，IFE）中心，并将在四年内提供总计4,200万美元的资金，用于加速惯性聚变能源科学和技术的发展。

激光聚变原理

通常来说，核聚变可以通过三种路径实现：即引力约束、磁约束、惯性约束。目前被认为最有可能实现可控核聚变的是磁约束和惯性约束聚变。

惯性约束聚变，是指通过高能的驱动源（激光束、电子束、离子束）与装有聚变燃料的靶丸相互作用，将等离子体压缩、加热到高能量密度状态并约束一定的时间，从而实现聚能放能的过程。伴随激光技术的不断发展，激光束逐步成为惯性约束聚变的主要驱动源，即所谓的“激光聚变”。

根据驱动方式的不同，国内外主要把激光聚变分为直接驱动、间接驱动两类。出于成本与复杂程度等方面的考虑，目前研究最多的是间接驱动方式。

-直接驱动（Direct Drive）：是指将激光束直接均匀地辐照到聚变靶丸上，利用激光直接烧蚀和压缩聚变燃料使其发生聚变。

-间接驱动（Indirect Drive）：是指将激光束注入到腔体内，利用激光与腔壁的等离子体相互作用产生的X光来烧蚀和压缩聚变燃料，并使其发生聚变。

NIF概览

作为全球激光聚变装置的焦点，NIF从1994年开工建设，选址在美国加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室 （Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL） ，由国家核安全局 （National Nuclear Safety Administration，NNSA） 维护。2009年5月，NIF顺利完工。装置整体占地21,368平方米，共耗资34亿美元。

NIF预期目标

作为NNSA库存管理计划的重要组成部分，NIF预期目标包括：

-实现惯性激光聚变点火；

-模拟核武器爆炸，确保美国核武器功能安全。

NIF核心参数

• 激光束数量：192束

• 激光系统总设计能量：1.8MJ

• 每束激光传递能量：10KJ

• 激光介质：Nd钕玻璃

• 激光初始波长：1053nm

• 激光工作波长：351nm

• 激光脉冲时间：1-20纳秒

• 靶丸类型：氘氚冷冻燃料

• 靶丸尺寸：1-2毫米

• 靶丸结构：包含外壳与内层冷冻燃料的复合结构，外壳材质通常为塑料或其他能够产生均匀压缩的材料

• 反应室尺寸：球形真空容器，直径约为10米

NIF发展里程碑

-1993年1月，美国能源部（DOE）批准建造NIF。

-1997年5月，NIF举行开工仪式。

-2005年，美国实施国家点火攻关计划（即NIC计划），目的是协调物理、诊断与制靶等方面研究，以期在2012年9月完成热核聚变点火。

-2009年3月：NIF项目宣布建成，标志着其具备了全系统激光实验的能力。

-2012年7月，NIF利用192束激光束向目标靶丸提供了超过500万亿瓦的峰值功率和1.85MJ的激光。

-2013-2015年，NIF重点转向材料和武器研究问题，用钚靶模拟高爆炸药对核弹炸药的压缩，仅2014年就开展了191次实验。

-2018年5月，NIF激光系统向反应腔发射了2.15MJ的紫外线能量，比该设施的1.8MJ设计规格提高了15%。

-2021年8月，NIF利用1.9MJ的激光驱动能量，产生了1.3MJ的聚变能输出，将NIF推向点火阈值。

-2021年8月：NIF创历史记录的释放超过1.3MJ的能量，是此前最高纪录的8倍。

-2022年12月，NIF利用2.05MJ激光能量输入，获得了3.15MJ的聚变能输出，首次实现”净能量增益“。

-2023年7月，NIF利用2.05MJ激光能量输入，获得了3.88MJ的聚变能输出。

-2023年10月，NIF利用1.9MJ激光能量输入，获得了2.4MJ的聚变能输出。同月，又利用2.2MJ激光能量输入，获得了3.4MJ的聚变能输出。

我国在激光聚变领域的探索

我国在激光聚变领域的探索可以追溯到20世纪60年代。1964年，时任中国核工业部第九研究院（中国工程物理研究院前身）副部长的王淦昌先生独立提出激光约束聚变构想，开启了我国惯性约束核聚变研究的征程。如今，中国科学院上海光学精密机械研究所、中国工程物理研究院激光聚变研究中心已成为我国激光聚变研究的两股中心力量。星光、神光系列装置是我国激光聚变装置的代表。

-星光系列：1985年，星光-I激光装置建成。1996年，星光-II激光装置顺利建成，它是当时我国唯一一台适用于激光聚变等离子体实验研究的高功率紫外光（激光波长为0.351μm）激光装置。2013年，星光-III激光装置顺利通过验收并投入运行。星光-III激光装置由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承制，是国际首台具备“零抖动”同步输出纳秒、皮秒和飞秒三种脉冲宽度，527nm、1053nm 和800nm三种波长激光的多功能激光装置。

-神光系列：1985年，上海光机所与中国工程物理研究院合作建成激光12号实验装置（1986年更名为神光Ⅰ），这是当时国内规模最大的用于激光等离子体物理和惯性约束聚变研究的实验装置。2001年，我国规模最大、国际上为数不多的高性能高功率钕玻璃激光装置-神光II装置建成并开始运行。2007年，神光Ⅲ原型装置建成。2015年，神光Ⅲ主机装置建成，成为当时世界上投入运行的第二大激光驱动器，同时也是亚洲最大的高功率激光装置，现如今已成为我国开展关键物理过程研究、高能量密度物理研究的重要实验平台。

激光聚变商业化公司

-Blue Laser Fusion：成立于2022年，总部位于美国加利福尼亚，由2014年诺贝尔物理学奖获得者Shuji Nakamura联合日本ACSL无人机公司的前首席执行官Hiroaki Ohta和硅谷律师Richard Ogawa创立。2023年7月22日宣布完成2500万美元A轮融资。Blue Laser Fusion计划2025年完成其第一个原型，在2030年左右利用激光技术实现核聚变反应堆的商业化，即在日本或美国建立一个10亿瓦的发电反应堆。

-EX-Fusion：成立于2021年，总部位于日本京都，由加州大学圣地亚哥分校博士后研究员Kazuki Matsuo、大阪大学激光工程研究所教授Shinsuke Fujioka和新光子产业创建研究生院副教授Yoshitaka Mori共同创办。2023年7月，EX-Fusion宣布完成18亿日元的天使轮融资。EX-Fusion希望通过结合高输出、高重复激光技术、连续靶源装置和尖端的光控技术，实现世界上首个商业化的激光聚变发电厂，并为各种光学行业的技术发展做出贡献。

-Focused Energy：成立于2021年，总部位于美国加利福尼亚和德国达姆施塔特。由得克萨斯大学奥斯汀分校Todd Ditmire教授和德国达姆施塔特工业大学Markus Roth教授在内的团队创立。2022年8月，Focused Energy宣布获得了1500万美元的早期融资。公司目标通过将直接驱动激光燃料压缩与“质子快速点火”相结合来实现能源供应。曾在2014-2021年担任劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）第十二任主任的William H. Goldstein现担任Focused Energy董事。

-HB11 Energy：成立于2017年，总部位于澳大利亚悉尼，由前新南威尔士大学（UNSW）教授，激光和等离子体物理专家Heinrich Hora联合Warren McKenzie创立。2022年5月，HB11 Energy宣布获得2,200万澳元的融资。HB11 Energy目标通过其独特的激光驱动氢-硼聚变技术，为全球提供一种清洁、安全且成本低廉的能源解决方案。公司致力于在未来10到20年内实现核聚变能源的商业应用，从而解决当前的能源危机和气候变化问题。

-Marvel Fusion：成立于2019年，总部位于德国慕尼黑。Marvel Fusion目标通过高强度短脉冲激光器和专有的纳米结构燃料靶材加速实现聚变能源商业化。2022年2月，公司宣布完成3,500万欧元的A轮融资。2023年8月，Marvel Fusion和科罗拉多州立大学共同宣布将建造1.5亿美元的开创性激光设施。该项目计划于2026年完工，将配备至少三个激光系统，每个系统都具有数拍瓦的峰值功率和每秒十次闪光的超快重复率。

-Xcimer Energy：成立于2021年，总部位于美国科罗拉多。2023年5月，Xcimer Energy宣布从DOE获得900万美元的奖励。2024年6月，Xcimer Energy宣布获得完成1亿美元A轮融资。本轮融资由Hedosophia领投，Breakthrough Energy Ventures、Lowercarbon Capital、Prelude Ventures、Emerson Collective、Gigascale Capital 和 Starlight Ventures跟投，所有融资款项将用于建设原型激光系统和扩充技术团队。

诚然，NIF点火存在着持续时间短、可重复再现性、激光效率低等问题，这证明其距离商业化还有很长的路需要走。但不可忽视的是，点火成功对于激光聚变研究甚至可控核聚变研究都具有标志性的意义，随着有关商业化公司不断涌现，相信惯性聚变研究也会不断加速并取得更大的突破。

参考链接：

• https://en.wikipedia.org/wiki/National_Ignition_Facility

• https://wuli.iphy.ac.cn/en/article/pdf/preview/10.7693/wl20240501.pdf

• https://lssf.cas.cn/lssf/sgggljg/xwdt/202301/t20230109_4576431.html

• https://lasers.llnl.gov/about/keys-to-success/nif-sets-power-energy-records

• https://lssf.cas.cn/ff8080814ff56599014ff5a31abb004a.html

•