可控核聚變研發競賽 中國位於第一梯隊

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而在核聚變實現路徑中，又分了兩條截然不同的道路，一個是以強磁場約束托卡馬克聚變裝置為代表的磁約束派，另一個則是以激光慣性約束核聚變「點火」裝置的慣約束派。

第一個磁約束托卡馬克，代表性的就是中國的EAST工程，我們之前的文章里有介紹（《可控核聚變持續101秒，我們離造出一個太陽還遠嗎？》）。而第二個慣性約束核聚變。

（中國的EAST工程）

激光慣性約束聚變，最接近氫彈爆炸的聚變方式

而氫彈的爆炸，需要原子彈的爆炸作為扳機，以此產生瞬間的高溫高壓高密度條件，進而達到聚變的臨界條件，引發更為強烈的核聚變反應。因此，如何設計一種能夠達到這種極端環境的裝置就成了和平利用聚變能的關鍵。

隨著激光技術的發展,前蘇聯科學家巴索夫教授在1963年、中國科學家王淦昌院士在1964年分別獨立地提出了利用激光打在聚變燃料靶上來實現受控熱核反應的構想,由此開闢了實現受控熱核聚變反應的新途徑——激光慣性約束聚變。

不同於採用強磁場約束的托卡馬克裝置，激光慣性約束聚變裝置是利用功率巨大的激光照射到靶上,將燃料向內壓縮,靶材料形成的等離子體，由於自身慣性還來不及向四周飛散就被加熱到極高溫度並發生聚變反應。

其典型的整個反應過程主要分四個階段：

（1）靶丸表面吸收激光束能量,在靶丸表面形成等離子燒蝕蝕層；

（2）靶丸表面物質向外噴射,同時產生反作用力,使燃料向心壓縮；

（3）通過向心聚爆過程,燃料達到高溫高密度狀態；

（4）燃料發生聚變反應，最終向外釋放出巨大能量。

因為靶丸一般都很小，和黃豆大小相等，而大功率多束激光裝置則是十足的巨無霸，簡直就是一大群高射炮打蚊子，因此，激光核聚變過程的關鍵就是，如何巧妙設計和布置激光束瞬間照射在靶丸上。

於是，在激光慣性約束聚變流派下，又分了兩個分支：直接驅動和間接驅動。

（直接驅動慣性約束核聚變示意圖）

直接驅動是將多路激光直接均勻輻照到球型靶上，燒蝕靶表面的燃料產生熱等離子體，激光在等離子體中產生激波從而壓縮靶丸達到點火。但其有兩個基本要求：一是要求激光在電暈區通過碰撞過程有效地被吸收,避免產生過量超熱電子；另一個是要求在燒蝕陣面附近的壓力分布均勻，對激光光束有高質量要求。

（間接驅動慣性約束核聚變物理過程示意圖）

間接驅動則將激光照射到黑腔的高Z內壁上產生X射線，激光能量將大部分轉化為X射線能量,再作用在靶表面，產生燒蝕、壓縮、點火。

這兩種點火方式各有優、缺點，雖然當前的主流點火方式是間接驅動，但由於美國的裝置一直沒點火成功，所以探索直接驅動的點火方式也是必然中的選擇，兩者相輔相成，互為補充。

（環繞聚變燃料艙的空心金質空腔）

那反應的核心，靶丸又到底是個什麼東西呢？

無論哪種驅動方式,靶丸都是由作為氣體容器的空心微球和球內燃料氣體組成。

（鈹塗層激光聚變靶）

上圖展示的就是一枚直徑2毫米的鈹塗層激光聚變靶，為了便於操作被固定在超薄塑料片中。在這個微型容器內注入的液體狀氚和氘混合物將被冷凍至-255攝氏度，然後從頂部和底部射入空腔的192束激光所產生的X-射線，將在空腔內產生聚變所需的極端物理環境，使核燃料點火、放能。

（激光慣性約束聚變發電站示意圖）

（慣性約束多路激光發生器）

各國低調卻熱衷的慣性約束核聚變，中國也在一直努力

相較於國際合作廣泛、經常刷屏的磁約束托克馬克聚變堆，慣性約束聚變堆則顯得相當神秘。這是因為慣性約束除了和平利用原子能解決能源問題外，更重要的意義在於研究核爆過程中的多物理問題。

這種聚變方式是最接近氫彈爆炸的真實物理過程，這也正是各國低調但又投入大量精力深耕該技術的根本原因。

最為突出和知名的是美國的點火裝置（National Ignition Facility,NIF），位於舊金山勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)。其最早要追溯到1972年，Nuckolls總結了可以利用激光束內爆來實現聚變的相關研究，如果在靶丸上達到了足夠的壓縮，1千焦的驅動能量就可以獲得大於1的增益。

在1993年，美國能源部正式簽署並批准了國家點火裝置（NIF）的概念設計和研製任務，並將其指標定為3納秒脈寬時輸出1.8MJ,總共192束高功率激光。在2012年，該裝置將192束激光束成功融合成一個單一脈衝，峰值功率達到了500萬億瓦，相當於美國在任何特定時刻內全國耗電量的1000多倍，成為人類歷史上發射的能量最大的激光脈衝。

雖然發展了多種多樣的點火方式，並嘗試了多輪試驗，但是到目前為止，NIF 的實驗結果距離真正意義上的點火還有一段很長的距離要走。

（美國慣性約束點火裝置）

那我們國家的情況呢？

別慌，我們有于敏。

在肩負核武器研製重擔的同時，于敏院士也在一直思考全面核禁試後如何確保中國庫存核武器的安全、可靠和有效性。

在他的多年推動下，中國慣性約束聚變研究被列入國家863計劃，制定了慣性約束聚變的發展戰略。繼神光-I 激光裝置之後，在上海建造了神光-II 八路固體釹玻璃激光裝置，並同時開展規模更大的神光-III 激光裝置的預研。

自此，中國慣性約束聚變研究進入了一個嶄新的歷史發展階段。

（上海神光II升級裝置和皮秒PW系統）

2006年，神光II升級系統建成並投入運行，8路激光輸出總能量為40KJ/3ω/3ns，目前該系統已經成為世界上繼美國NIF之後的最穩定的慣性約束激光碟機動系統。而與此同時，2005 年，四川綿陽于敏所在的單位，也建成了神光III 8 路系統，其初期可提供15－20KJ 的3ω 輸出。2010 年，神光III 主機64 路激光也按計劃完成，可提供150－200KJ 的3ω 輸出。

作為世界各大國相互角力的主戰場，近年來中國的慣性約束核聚變事業迎來了新的一波高潮，新一代國家點火裝置---神光IV開始籌劃。

其主體工程在2010年就開始啟動，目前已經進入實質性的建造階段，計劃在2020 年或稍後建成。

其中，該系統將包含高達288 路的高功率激光束，其總輸出功率為2MJ，設計功能以間接驅動為主，但同時也兼顧直接驅動。

一旦該裝置建成，將進一步提升中國核聚變事業的力量。

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