激光点火进行时：十年后再次重启，欧洲点火装置前行之路就在当下

Dimitri Batani, Arnaud Colaïtis, Fabrizio Consoli, Colin N. Danson, Leonida Antonio Gizzi, Javier Honrubia, Thomas Kühl, Sebastien Le Pape, Jean-Luc Miquel, Jose Manuel Perlado, R. H. H. Scott, Michael Tatarakis, Vladimir Tikhonchuk, Luca Volpe. Future for inertial-fusion energy in Europe: a roadmap[J].High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(6): 06000e83

早在1963年和1964年，苏联科学家尼古拉·巴索夫（Nikolay Basov）教授和中国科学家王淦昌院士分别独立提出了用激光照射在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应这一构想。随着近两年，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）成功达到可控激光聚变点火这一清洁能源的“巅峰”后，世界各国的科学家重新看到了利用激光驱动可控聚变反应产生大量能量的希望。尽管激光驱动核聚变的理论构想最早发源于欧洲，但由于一系列历史原因，欧洲一直未能成功实现激光核聚变的实验验证，而其聚变研究的专项计划也一度停滞。近日，在欧洲各国科学家的努力下，欧洲聚变研究中心再次启动了对激光聚变点火的研究与应用项目，其所采取的技术路线，也将有望获得优于美国国家点火装置的能量增益结果。停滞已久的点火项目能否重新燃起希望之火？欧洲点火装置路在何方？更多技术细节敬请阅读HPL综述文章：“Future for inertial-fusion energy in Europe: a roadmap”。

2022年12月，美国国家点火装置 (NIF) 成功实现了激光驱动聚变反应以及净能量增益。这一科技壮举标志着具有重要历史意义的技术突破，NIF点火实验的成功不仅确立了惯性约束聚变在能量增益方面的显著作用，也为清洁能源的未来奠定了基础。在NIF所做的实验工作中，研究人员使用总能量大约2 MJ的超强激光，轰击了含有1 mg氘氚(DT) 燃料的球形靶丸，从而引发聚变反应，产生了高能中子和α粒子，并同时释放超过3.5 MJ的聚变能量。2023年，NIF又接连公布了3次点火的实验数据，进一步验证了激光驱动可控核聚变反应的可能性。 

需要说明的是，NIF采用的是间接驱动点火的技术路线，驱动激光需要先在靶丸室内被转换成软X射线，再轰击靶丸，并因此产生对称、有效的内爆，促成聚变点火的进行，并释放出大量的能量。尽管入射光能量向软X射线的转移，能够为聚变点火提供高度统一、匀称的能量辐射，使得高质量的球型内爆成为可能，但这种方法的能源利用效率仍旧不够高，并且很难与未来聚变反应堆的设计要求兼容（实际落成的反应装置，需要比现在更高的能量增益，并能够支持1 Hz或是更高的频率连续运行）。因此，开发出一种行之有效的技术改良手段，成为了众多科研工作者努力的方向。

图2 (a) 激光束照射下的DT燃料舱；(b) 间接驱动点火方案中聚变发生过程的四个阶段：(i) X射线辐照球形靶丸；(ii) 靶丸外部的烧蚀及DT燃料内爆; (iii) 激光聚焦中心产生聚变反应; (iv) DT燃料的燃烧及热能释放

（图片源自网络）

据报道，欧洲科学家近期与美国罗彻斯特大学激光能量实验室(LLE)的研究人员通力合作，正在努力开发一种通过直接辐照球形靶丸产生聚变增益的替代方案；而在这种特殊的时代背景下，间接驱动技术也需要愈加现实的路线图，以促使各国科研工作者，探索出一条超越NIF聚变增益结果的技术方案，最终助力核聚变发电厂研究设计工作的进行。本文介绍了几个欧洲国家组成的国际科研团队所提出的惯性聚变能源发展路线图。

在欧洲，研究人员可以利用其在等离子体物理和高功率激光技术方面的理论技术积累，率先推动激光驱动聚变反应的进行。这一计划最早源于16年前，由欧洲十国联盟所创建的高功率能源研究（HiPER）项目。HiPER项目于2007年被纳入欧洲研究基础设施战略论坛 (ESFRI)，并在之后持续运行了7年时间，为巩固欧洲惯性约束聚变共同体做出了巨大的贡献，同时也为激光等离子体相互作用物理学、惯性约束聚变的研究奠定了坚实的技术基础。图3 (a)展示了HiPER项目中初代惯性约束动力装置的概念图，它由三个模块组成：激光放大和聚焦系统、反应腔、能量回收及转换系统。但不幸的是，由于NIF点火实验的推迟，HiPER项目也只在2013年走完了前期准备阶段。

图3 (a) HiPER项目中初代惯性约束动力装置的概念图; (b) HiPER+，欧洲的新机遇

今天，新的机遇再次来到了欧洲：一张全新的名为HiPER+的技术路线图于近期被提出，该路线图由三个连续的步骤构成，共持续约三十年的时间；三个步骤的具体规划如下：

• 创建欧洲激光聚变中心，并在此实现基于直接驱动的激光点火；

• 建造实验性质的惯性聚变反应堆，并验证能源生产可行性；

• 建设一个核聚变示范电厂 (DEMO)，包括能源转换和燃料生产装置，并与市场需求相适应。

HiPER+作为一项具有极高社会价值和现实意义的前沿科技项目，自提出之日起就吸引了大量科学家的注意，而其实际运行也需要多个国家的参与，具体包括一些实验室、大学、工业及私营公司等。同时，有四条基本的技术路线贯穿项目始终，它们分别是：

• 激光等离子体相互作用和燃烧等离子体物理学的发展；

• 大能量、高重频激光技术的发展；

• 核聚变反应堆技术和材料的发展；

• 通过国际教育和培训计划加强激光聚变社区建设。

该项目更倾向于赞助那些以直接驱动作为技术路线的研究，而这些研究工作往往也更容易被拓展至高重复频率的应用环境（能与更多实验设计方案相兼容），进而实现对驱动激光能量的高效利用。但无论选择何种实验方案，用多束激光直接辐照靶丸都应当是相同的技术选择（不同燃料会有相应的点火方式），相信欧洲激光聚变研究中心后续也会对这一点进行着重强调。

在整个路线图中，主要的技术手段是激波点火技术（其最新版本为增强型激波点火），该技术能够提供最为有效、灵活的激光能量利用，同时它也能够与二极管泵浦固体激光器 (DPSSL) 兼容。从物理层面来看，该路线实现激光聚变所面临的主要挑战有以下几点：

• 如何控制激光能量，使其在靶室内进行有效吸收和运输；
• 聚变反应驱动激光波长的选择；
• 激光均匀照射靶丸的实现方法；
• 燃料靶内爆反应的稳定性及对称性。

作为该系统运行的核心动力源，高能激光系统的发展也至关重要，其最终需要达到的能量效率要高于10%，并且能够以大于等于1 Hz的重频出射高能脉冲。在上述技术要求下，一种较为理想的候选技术是DPSSL，相对而言这项技术更加节能、经济、可靠，并且能够根据实际物理机制选择合适的波长。在高能激光系统开发轴线上，第一步是建立起验证单元，使得整个系统能够实现脉宽1 ns，单脉冲能量 1 kJ，平均功率1 kW的高能脉冲输出，这也将在工业、医疗以及其他技术领域产生积极的促进作用。

与高能激光系统研究同步进行的，是核聚变反应堆及燃料制造技术，该路线需要研制出抗高辐射通量、具有高热负荷能力以及较强机械应力的靶材，这一点与磁约束惯性聚变技术是相通的。该领域研究进行的关键，在于对满足第一类边界条件的新型中子源进行模拟，DPSSL的引入或许将改变该领域的游戏规则。除此之外，还存在一些其他的技术挑战，具体包括研制出合乎物理要求的靶丸，将靶丸运输至反应堆室的可靠安全手段，氚增益和安全回收技术等。

图5  直接驱动点火的四个阶段：(a) 激光与靶材相互作用及能量耦合；(b) 靶丸壳体向内加速运动，压缩燃料；(c) 靶丸壳体减速阶段，热量中心点形成及燃料混合过程；(d) 聚变反应的实现及热量传播

如此一个规模巨大、耗时持久的项目，需要广泛协调各方合作伙伴，同时也要加强对青年人才的培训及教育工作。项目委员会建议及早采取行动，尽快在欧洲激光聚变设施周围聚集起多家研究机构及组织驻地，以尽快开展直接驱动惯性聚变的研究、开发及培训工作，此项目将提供一台可靠的激光器，解决与未来聚变反应堆发展有关的一系列技术挑战。此外，眼下最为重要的还需要加大宣传HiPER+项目在ESFRI路线图中的关键作用。欧洲各国对于HiPER+项目的支持力度，将能够从侧面验证惯性聚变在欧洲未来能源预算中的重要位置；同时，该项目也能为政府、企业提供一个具有巨大前景的合作平台。