科创中国

问题背景：

能源不仅是经济发展的命脉，也是国家安全的重要保证。美国、欧洲、日本等发达国家的繁荣，正是建立在对能源巨大消耗的基础之上的；国家之间的许多利益争端，其核心实质上对能源资源的争夺。以煤炭、石油等化石为主体的能源不可再生，已面临着逐渐枯竭的忧虑。从长远来看，核能是解决人类能源问题的终极方案之一。与裂变核能相比，聚变核能由于不存在重核素的核污染，因此不仅是一种安全、洁净的高能值能源，而且由于地球上储藏丰富，可谓用之不竭。

上世纪六十年代初，苏联科学家巴索夫和我国科学家王淦昌先生分别独立提出了利用激光实现聚变反应（即ICF）的设想。其基本原理是把高能量密度的激光束向心聚焦到DT材料制成的微型靶丸上，实现烧蚀等离子体的向心聚爆，产生极高的温度和极大的压强，瞬间达到劳森判据所要求的温度与密度，使得高度压缩的高温等离子体在扩散之前，即实现持续核反应。ICF不仅对于解决人类能源问题意义重大，而且是在实验室中模拟核武器研究的有效方式，对于国家安全至关重要。所以，美法日等国家都非常重视在实验室中开展激光核聚变研究，并给予高强度投入。

目前实现ICF主要有间接驱动和直接驱动两条技术路线。间接驱动是将激光能量聚焦注入到圆柱形黑腔内壁上，通过产生的X射线，均匀烧蚀黑腔中心的氘氚（DT）靶丸核燃料，产生向心内爆。而直接驱动是利用高功率激光直接烧蚀球形靶壳。美国采取了间接驱动的路线。为了实现ICF，美国耗资35亿美元，历时10多年建成了美国国家点火装置（NIF）。NIF是人类历史上规模最大的光学工程，其工程精密程度和重要关键技术的先进程度都达到或超过了设计指标，但是，由于ICF过程的高度复杂的内禀物理问题，NIF建成后至今尚未完全实现聚变点火。

针对美国NIF在间接驱动研究的现状，美国能源部发布了《2015年惯性约束聚变与高能密度科学评估报告》。报告中提到：除非有不可预见的技术突破，否则以NIF激光装置目前的能力，在近期（1-2年）实现点火是不太可能的，在中期（5年）实现点火也具有相当的不确定性。与间接驱动研究路线相比，直接驱动研究路线具有更高的激光到热斑的耦合效率、更低的热斑点火阈值和更高的能量增益能量。因此，近年来在NIF间接驱动研究路线遇到巨大障碍之后，直接驱动研究路线吸引了越来越多的关注。

在直接驱动研究方面，受NIF装置的几何排布和靶场结构的巨大制约，美国目前主要依托罗切斯特大学的OMEGA激光装置开展预先研究，但由于能量较低，不能进行真正意义的点火研究，只能通过定标关系外推有关结论，这无疑会带来一定风险。欧盟也在开展包括冲击点火在内的直接驱动相关研究，但是欧洲不具备实质性开展直接驱动相关研究的大型激光装置。

能源和国家安全是我国、乃至全人类21世纪不可回避的重要问题。而无论直接驱动和间接驱动聚变途径，在国际上都遇到了一定的困难和进展缓慢的困难。这对我国ICF研究同样带来了重大挑战，但同时也是重大机遇。如果我国能够抓住机遇，实现对聚变物理核心问题的根源性认知和在关键技术上的取得重大突破，提出具有中国特色的聚变新途径，就有望占得先机，实现超越。

关键突破点：

自2010以来，美国利弗莫尔国家实验室的科学家进行了多次实验，虽然在最新的实验中产生了1.9x1016个中子，聚变能达到了54 kJ，但距离实现真正的点火和相对于激光总能量（1.8MJ）的增益大于1还有难以预估的距离。下面列举了部分激光核聚变面临的关键挑战和问题：

1） 入射激光总能量转化为靶丸内爆能量的效率太低，只达到1-2%左右。如何提高转化效率是ICF 能否成功的关键；

2） 现有ICF 内爆压缩过程中密度压缩和温度提升是耦合在一起的，能否将压缩过程与加热过程分离，分别对其控制？

3） 激光等离子体相互作用不稳定性不仅造成激光能量的散射，而且可能会由于超热电子的预热导致压缩困难，能否有效控制激光等离子体相互作用过程中不稳定性、束间能量转移？

4） 在内爆过程中，能否有效控制等离子体流体力学不稳定性的非线性增长？

5） 如何实现烧蚀压的压力？

6） 如何避免燃料混合？

7） 如何提高靶质量等关键技术？

我国重大专项以美国NIF为参考，在立项时的顶层设计中，采用了间接驱动中心点火的技术路线。近年来根据国际现状和进展，增加了六孔球腔、直接-间接驱动混合点火等新方案。此外我国科学家还针对ICF过程不稳定性等关键障碍，地提出了“双锥对撞点火”的原创物理方案，其物理实质是用光锥辐照代替球对称辐照，将球对称向心压缩与同步点火的物理过程分解为复合增压+混合加速+对撞倍增+快速点火等四个紧密相连的物理过程。这些创新、甚至原创的点火方案为激光聚变研究提供了全新思路，对解决ICF遇到的困难和关键问题将起到重要作用。

战略意义：

从长远角度来看，激光聚变的成功实现将一劳永逸地解决人类能源问题，为我们带来史无前例的巨大的经济和社会效益。同时，激光聚变可以用来模拟核武器相关过程，这对于国家安全意义重大。

在美国NIF间接驱动技术方案没有实现真正点火、欧盟直接驱动技术路线进展缓慢的国际形势下，我国科学家提出了有自己特色的点火路线。这些路线，在激光-靶丸耦合效率、辐照均匀性、不稳定性抑制等方面都具有一定的优势，有望成为实现ICF的有效途径。对点火新方案的研究和实施将为国际ICF研究注入新的活力，必将提升我国在激光聚变研究领域的国际地位，是在该领域赶超美国的重要历史性契机。

研制的高功率实验装置将成为国际领先的实验研究平台和研究中心之一。该平台不仅可以进行激光核聚变研究，还可以为高能量密度物理等领域提供先进的研究手段，这将会极大地带动我国的高能量密度物理发展，提升我国在该领域的核心竞争力。