燃料取之不盡的核聚變能是人類未來(lái)的理想能源。目前，要在地球上實(shí)現(xiàn)可控核聚變能，主要有磁約束和慣性約束兩大路線。

日前，我國(guó)激光驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變領(lǐng)域的領(lǐng)軍者、中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心榮譽(yù)主任賀賢土介紹了中國(guó)在這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心榮譽(yù)主任賀賢土。

01激光慣性約束聚變沿用兩種方案

賀賢土院士介紹，激光驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變長(zhǎng)期以來(lái)一直沿用直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)兩種方案。前者依靠激光直接加熱含氘氚燃料靶球外殼(燒蝕層)表面，產(chǎn)生高溫高壓，內(nèi)爆壓縮燃料到高密度，并在局部產(chǎn)生高溫實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，在向球心運(yùn)動(dòng)慣性支持下，完成自持熱核燃燒放出大量聚變能;后者則是將靶球放置在一個(gè)原子序數(shù)較高的元素(高Z元素)金屬壁黑腔中，激光從入射孔照射到腔體內(nèi)壁，被吸收后轉(zhuǎn)換為高溫輻射(熱X射線)。高溫輻射快速加熱靶球燒蝕層表面，產(chǎn)生高溫高壓，形成類似直接驅(qū)動(dòng)的燃料內(nèi)爆壓縮和點(diǎn)火燃燒過(guò)程。

不久前，采取間接驅(qū)動(dòng)方案的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)，用2.05兆焦耳能量再一次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了能量增益(輸出聚變能與輸入激光能量之比)約2.53的聚變能輸出點(diǎn)火演示，這也是目前實(shí)現(xiàn)能量增益最大的一次點(diǎn)火演示，再次證實(shí)了激光慣性約束聚變的科學(xué)可行性。

慣性約束聚變除了可用于聚變能研究，其派生出的高能量密度科學(xué)對(duì)基礎(chǔ)研究、國(guó)防科技等領(lǐng)域同樣具有重大價(jià)值。特別是其提供的極高驅(qū)動(dòng)壓力，可以為極端條件下物質(zhì)性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究提供重要條件，為高新技術(shù)研發(fā)提供重要基礎(chǔ)。

賀賢土院士表示，直接驅(qū)動(dòng)方案和間接驅(qū)動(dòng)方案有一個(gè)共同的不足之處，即當(dāng)激光或輻射能量作用到靶球表面被吸收時(shí)，產(chǎn)生的高溫高壓等離子體會(huì)快速向外膨脹，導(dǎo)致輻射燒蝕面上的密度急劇下降，驅(qū)動(dòng)壓力不足。

“如果只是溫度高、密度低，那么驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆的壓力就無(wú)法升得足夠高，內(nèi)爆速度就不夠快。這會(huì)導(dǎo)致在內(nèi)爆過(guò)程中，出現(xiàn)微小的不均勻性，引發(fā)流體力學(xué)不穩(wěn)定性，進(jìn)而破壞燃料球?qū)ΨQ壓縮，導(dǎo)致點(diǎn)火困難。”賀賢土院士介紹，尋找一個(gè)足夠高強(qiáng)度且均勻性好的驅(qū)動(dòng)壓力，能夠?qū)θ剂线M(jìn)行穩(wěn)定的內(nèi)爆壓縮和點(diǎn)火，輸出高增益聚變能，成為全球慣性聚變研究者的共同目標(biāo)。

02高增益慣性聚變能輸出有望實(shí)現(xiàn)

圍繞上述目標(biāo)，賀賢土院士在總結(jié)NIF及國(guó)際上其他慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了新的混合驅(qū)動(dòng)方案，并率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展理論和數(shù)值模擬研究。該方案最近在我國(guó)神光激光器上得到實(shí)驗(yàn)實(shí)證。

在混合驅(qū)動(dòng)方案中，用于實(shí)驗(yàn)的激光分為間接和直接入射兩種，作用過(guò)程可以分為兩個(gè)階段。

賀賢土院士解釋，在第一階段，先用傳統(tǒng)的間接驅(qū)動(dòng)方法提供高溫輻射，對(duì)燃料進(jìn)行預(yù)壓縮。同時(shí)，靶球燒蝕面快速膨脹的等離子體在冕區(qū)遠(yuǎn)處產(chǎn)生一個(gè)臨界面。在第二階段，間接驅(qū)動(dòng)激光繼續(xù)提供高溫輻射，進(jìn)一步預(yù)壓縮燃料。其間，在合適時(shí)機(jī)，另一部分直接驅(qū)動(dòng)激光入射到臨界面附近，被吸收后轉(zhuǎn)換成超聲電子熱波，然后再被慢化為等離子體壓縮波，將燒蝕面上不斷燒蝕下來(lái)的低密度等離子體等溫壓縮成高密度等離子體。

“采用這種方法，便可以成功將高溫、低密度的間接驅(qū)動(dòng)壓力改造成高溫、高密度的混合驅(qū)動(dòng)壓力。”賀賢土院士說(shuō)，混合驅(qū)動(dòng)方案不僅可以提供比間接驅(qū)動(dòng)方案高出許多倍的驅(qū)動(dòng)壓力，同時(shí)還具有極佳的均勻性。其提供了大的內(nèi)爆速度，使燃料能夠被快速壓縮到高面密度，在流體力學(xué)不穩(wěn)定性尚未充分發(fā)展前，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和高增益聚變能輸出。

不久前，賀賢土院士與其他科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》發(fā)表了混合驅(qū)動(dòng)方案的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)用5萬(wàn)多焦耳的間接驅(qū)動(dòng)激光能量和僅4千焦耳的直接驅(qū)動(dòng)激光能量，便獲得了1.8億大氣壓的混合驅(qū)動(dòng)壓力，是目前國(guó)際上得到的最高驅(qū)動(dòng)壓力，是NIF約2兆焦耳激光能量在碳?xì)錈g層表面產(chǎn)生的間接驅(qū)動(dòng)壓力的1.8倍。賀賢土院士表示，如果應(yīng)用與NIF點(diǎn)火同樣的2.05兆焦耳激光能量，混合驅(qū)動(dòng)方案將可在碳?xì)錈g層表面獲得10億大氣壓的驅(qū)動(dòng)壓力，是NIF驅(qū)動(dòng)壓力的10倍。

賀賢土院士表示，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的定標(biāo)關(guān)系和二維理論模擬，在如此高強(qiáng)度且對(duì)稱性好的混合驅(qū)動(dòng)壓力下，僅需約1.7兆激光能量，便可實(shí)現(xiàn)輸出聚變能增益10以上，為我國(guó)慣性約束聚變高增益點(diǎn)火靶的設(shè)計(jì)提供了重要參考。

“雖然NIF率先實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火，但我們憑借自主研究發(fā)現(xiàn)，在與NIF同樣激光能量下，可以獲得更高效率和增益的聚變能。”賀賢土院士說(shuō)。