激光驱动聚变需要更多“靶丸练习”

对美国国家点火设施（NIF）的Omar Hurricane博士来说，激光驱动聚变的未来形态或许可以归结为一个词——对称性。作为美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）惯性约束聚变（ICF）项目的首席科学家，他密切关注着192束激光、两英里长的光学玻璃、数千台闪光灯，以及在LLNL庞大的国家点火设施（NIF）中共同产生核聚变能量的其他众多设备。

 

图1：位于美国加州的NIF是由LLNL研制的一座巨型激光核聚变装置，是目前世界上最大、能量最高的激光聚变装置

但尽管NIF的物理规模如此庞大——它大约有10层楼高，占地面积相当于三个足球场——其中却有一个胡椒粒大小的部件，或许最吸引Hurricane的注意。那个胡椒粒就是燃料胶囊，里面装有氢同位素，激光间接引导其内爆并发生聚变。每次在NIF完成一次激光射击后，当Hurricane仔细观察燃料的内爆情况时，他都会被X射线图像所揭示出的对称性缺失所震撼。

用外行的话来说，胶囊内的某些区域聚变得比其他区域更“卖力”。如果那些不那么活跃的区域能够达到应有的水平，这将标志着LLNL在开发聚变能源的征程上取得巨大进展——这种聚变能源最终可能释放出足够多的能量来用于发电，从而帮助世界实现那个长期难以企及的目标：使用相对安全、清洁且易于获取的聚变能。

“对称性控制至关重要，”Hurricane说。“你正试图均匀地压缩聚变燃料。如果不够均匀，你用来内爆的能量就会被浪费掉。”当提到对称性时，他描述的不仅仅是那个装有氘氚氢同位素、直径2毫米的燃料胶囊的形状，而是激光引发内爆的整体形状。最佳的内爆对称性应该是完美的球形，他将这种状态描述为“不可能实现”。

 

“香肠”与“针垫”

研究的目标是尽可能接近球形。目前，内爆以三种不对称形状之一发生，Hurricane将其描述为：上下/左右不对称；香肠/煎饼状；以及最严重的针垫状。

正如他在2026美西光电展上的演讲中解释的那样，将这些形状打磨到尽可能接近球形的过程，是一项多方面的平衡工作，不仅涉及胶囊设计，还涉及对192束激光的控制。每束激光在击中一个称为“黑腔”（hohlraum，德语意为“空心空间”）的小型金属靶筒（内部装有胶囊）之前，都会在厚实的光学放大板中来回传播一英里。

 

图2：图中所示的黑腔靶标长约10毫米，直径约6.4毫米。其内部装有更小的燃料胶囊

黑腔的设计——它大约有铅笔擦大小——也是一个关键因素。激光击中黑腔，产生X射线。在NIF的“间接驱动点火”方案中，正是这些X射线，而不是激光本身，对胶囊表面进行加热和烧蚀。

 

 

图3：尽管NIF规模宏大，但正是这个胡椒粒大小的燃料胶囊，才是剧烈反应发生的地方

图4：NIF的靶室可以产生高达1亿摄氏度的温度和极端压力，足以将靶标压缩到铅密度100倍的密度

这反过来又引发了一系列令人难以置信的物理过程：氘氚燃料转变为等离子体，并以每秒400公里的速度向微小的内爆胶囊中心加速。由于无处可去，在巨大的压缩压力下，燃料的动能转化为热能。原则上，正是这种热能可以被捕获，用于驱动涡轮机并发电。要实现这一点，反应必须达到“点火”状态，即输出的能量等于或大于输入的能量，并且反应能够自持。

NIF和LLNL隶属于美国能源部，聚变开发工作正在研究利用聚变发电的可能性（这被称为IFE，即惯性聚变能）。另外，研究的更多工作集中在将聚变用于热核武器方面。同时，它也在研究聚变在天体物理学领域的应用价值。

 

处处是损失

无论用途如何，等离子体物理学家Hurricane都用“洋葱皮”的类比来阐述将能量从激光传递到X射线、再到等离子体并加以利用所面临的挑战。

“每次你从外层进入内层，最终都会损失能量，”他指出，“每当你向内进入洋葱的一层，压力在增加，但能量在减少。如果你能成功地将足够多的能量集中在中心，同时让压力上升，你就有机会启动点火——那是一种热核不稳定性。”

能量损失最显著的地方之一发生在激光击中黑腔靶标之后。目前，有3.27亿焦耳的激光能量到达，但实际传递到燃料胶囊的只有200万焦耳。在激光到X射线的转换过程中，以及在X射线引发燃料胶囊内爆的过程中，都发生了巨大的损失。

“事实证明，ICF靶丸效率极低，就像激光器本身能量效率低下一样——你一开始输入3.27亿焦耳，最后只得到200万焦耳，”Hurricane说，“在能量到达聚变燃料之前，你要经历这一连串数量级的能量损失。因此，ICF靶丸在能量上是低效的。”从3.27亿焦耳到200万焦耳的巨大落差，实际上削弱了NIF宣称其已实现能量增益大于1的轰动性说法。

至少从1958年起——那一年联合国在日内瓦召开了“原子为和平”会议，时任美国总统艾森豪威尔在纽约发表了“原子为和平”演讲——聚变就一直是廉价、安全、取之不尽、环境友好的理论上的“圣杯”。但近70年来，它仍然是能源领域的“空气吉他”，受困于无法从聚变装置中输出比输入更多的能量。

NIF在过去3年中因8次实现增益大于1而获得赞誉。其中最大的一次是2025年4月，实现了超过4的增益，当时输入2.08兆焦耳，输出8.6兆焦耳。增益为4仍然远低于NIF式聚变装置实现商业发电所需的标准，但这是朝着正确方向迈出的一大步。

 

重新计算能量输入

2.08兆焦耳的“输入”仅计算了激光器从最初的3.27亿焦耳经历所有损失后到达燃料的能量。它没有计算NIF为产生激光所消耗的所有电力；也没有计算驱动NIF计算机化操作所消耗的电力。就成本核算而言，3.27亿焦耳是用于公式中“输入”部分的更准确数字。用8.6兆焦耳输出除以3.27亿焦耳输入，得到的“增益”更接近于零，而不是¹。

正如Hurricane指出的那样，整个过程中都存在损失，从激光激发开始，包括放大，还包括在某一点从红光到蓝光的转换。存在许多变量和影响因素。与黑腔及其燃料胶囊内部活动相关的损失，与入射激光的能量属性以及众多其他因素有关。例如，将微小黑腔定位在一个大型靶室内的位置至关重要。

“我们在NIF上有一个10米宽的靶室，192束激光射入其中，我们必须将靶标放置在距离中心30微米以内，否则它会射向一侧，”他谈到。

他用自己业余爱好的射箭打了个比方。“几乎任何人都可以用弓箭射击五米外的靶子并击中它，”他说，“但如果把靶子放到一百米外，只有奥运会射击运动员才能做到。如果把靶子放到三百米外，没人能做到。对弓箭控制所需的精度水平会呈指数级增长。ICF和IFE系统要实现点火，控制需就要极高的精度。我们需要激光系统和靶标本身都具备令人难以置信的控制精度。我认为很多人没有意识到的是，让惯性约束聚变系统正常工作所需的精度水平。”

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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