一、什么是激光驱动核聚变

激光驱动核聚变是实现受控核聚变反应的可能方法之一，原理上属于惯性约束聚变。激光器发明后，就开展了关于激光驱动核聚变的研究工作，至今已有50多年的历史。它的原理是，通过高能量的激光将氢的同位素氘、氚燃料大幅压缩体积从而产生极高的压力，同时加热原子核到极髙温度，使原子核有足够的能量克服相互斥力 ，最终碰撞在一起发生核聚变。激光在核聚变反应中是驱动源。研究表明，激光与氘氚聚变燃料相互作用形成的等离子体的控制过程极其复杂，并且需要精密的配套工程系统，难度超乎想象，至今仍未实现。激光驱动核聚变的最终目标是输出核聚变能量。因此，在激光驱动含有氘氚聚变燃料的靶丸发生聚变反应实现能量转换的过程中，驱动激光注入靶丸的能量要与靶丸反应后产生的能量形成反转，即产生的能量大于等于注入的能量，通俗地讲就是实现“点火“。点火是激发核聚变反应、实现能量增益的关键步骤，它的成功是实现可控核聚变的首要判据或标志。长期以来，人们一直为此努力着。

二、国际研究概况

激光驱动核聚变装置属于大科学工程，主要超大型、超精密激光驱动源装置和聚变反应平台装置两部分组成，其中激光驱动源装置是整个系统的基础和关键。具体的研究工作包括激光驱动源装置开发、驱动方案优化、驱动试验装置与测试平台建设、驱动物理与工程试验、规律探究等。在《全面禁止核试验条约》实施的背景下，激光驱动核聚变得到了各国的高度重视。美、日、法、俄、韩等国已将激光驱动核聚变作为国家战略，并投入了极大的人力物力，我国从1960年代起也开始进行相应的研究。目前，国际上激光驱动核聚变装置的建设已获得重要进展，典型的有美国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）、 法国兆焦耳装置、 我国“神光”系列装置等。

三、NIF简介

NIF是世界上最先进、规模最大的激光驱动核聚变设施，经过30多年的研究，它不仅在聚变驱动的激光源系统获得了重大突破，建成了最先进的超大规模超精密激光器系统，而且在聚变点火的物理实验上不断取得进展，对其中的物理原理和工程规律有了更深入的了解。

NIF整体建筑占地面积超过一个足球场，内部建有大型复杂的激光光学系统。它由192路单路激光放大链依靠光学同步对准等控制器件实现复合汇集，然后实现整体光束聚焦，并将光束作用于含有氘氚聚变反应材料的靶丸上。装置中还配有供能、控制、测量、防护、环境支撑等多种装备。

目前在世界上，以激光聚变点火为目的的高功率激光驱动器中，NIF的驱动源激光器规模最大、水平最高。2012年7月5日，NIF的激光系统激发了192束紫外线激光脉冲，释放出 1.85兆焦的能量和高于500太瓦的峰值功率，峰值功率超过了任何瞬间段美国全国电能消耗总和的1000倍。这一具有里程碑意义的工作代表了激光研究领域多年来的最高水平。

四、NIF研究存在的科学性问题

NIF的试运行实验和使用状况证实了该激光驱动器已达到既定技术指标，而且在实验中，它的诊断精细度不断提升，精确能量、脉冲整形控制、高水平制靶、灵活的适应能力等也能满足设计需求，似乎点火可以很快实现。然而点火过程并不顺利。

2009年，在激光驱动源及点火相关设备装配完成后随即开始了一个为期三年的“点火攻关计划行动”，目标是尽快实现点火。但遗憾的是，2012年NIF没能在计划管理的关键时间标识点如期点火，并且实验结果被判定为距离设定的目标还很远。

在科学原理上，尚不能完全确定关键点点火失败的原因是驱动源能力不足，还是激光与等离子体相互作用出现问题。反对者认为—再推迟点火计划 ，是因为理论上存在缺陷，需要进行更多的科学论证。激光约束聚变能否真正实现受到越来越多的质疑，甚至有些人又开始讨论过去反复讨论的话题，诸如激光驱动核聚变究竟在科学上是不是成立？激光驱动究竟采用直接驱动好还是间接驱动好？间接驱动中怎样选择激光参数和辐照驱动方式才是科学的？ 这些疑问似乎暗示激光驱动核聚变的科学性还未被认定 ，现阶段如此大的投入是不是值得，美国政府对此显现出迟疑和谨慎。美国的这种态度也影响了其他跟进国家政府决策以及相关研究的进展。

经过反复权衡，美国国会资助NIF启动了自2013年开始的第二个三年计划行动，自此NIF得以继续进行更深入的研究。在一年多的时间里，研究人员对点火方案以及其中的工程物理进行反思，并不断尝试调整实验方案。一方面，在原有理论上进一步加强点火物理的计算机模型与模拟的研究，已获得多个得到肯定的物理模拟计算结果，为更科学、更合理地点火提供理论指导。另一方面，按照预定计划改进实验条件、参数和方案，尝试进行实际的点火试验和判断性实验。

在理论和实验结合的研究过程中 ， 科研人员对激光与等离子体相互作用的稳定性以及等离子体内部能量传递的方式有了新的认识。对靶丸内爆压缩速度快慢的选择是其中至关重要的一项内容。此前的理论是，如果燃料靶丸的内爆压缩采用较慢的速度，压缩才可以达到更高的最终密度。然而研究发现在较慢的内爆压缩中，等离子体的不稳定性非常明显，并形成了很多不良物理变化。似乎应采用更快的内爆压缩方式，但这与已有的理论不一致。这要求从顶层设计的角度，对当前点火试验做出重大调整。

研究人员认为原有内爆压缩驱动较慢主要有两方面原因。一是压缩靶丸时经常发生不对称、不均匀的情况，极不利于实现燃料的高密度；二是内爆时，靶丸胶囊在相互作用的界面表层不稳定，如瑞利-泰勒不稳定性，界面材料与燃料不同，但可能与燃料混合在一起，燃烧过程中会引发更多物理化学效应，高温等离子体难以很好地形成，燃料的高温高压浓缩过程受到过多因素的影响，而无法趋近理想状态，最终难以引发核聚变。

在现有试验方案中，靶丸被压缩的快慢主要由施加于靶丸表面的驱动激力脉冲决定。之前的 内爆试验采用“低脚”（low-foot）脉冲，一开始用低功率激光对靶丸进行轰击，这样可在未加热燃料的情况下促使内爆移动，最终以突然的高功率激光引发核聚变。所谓“低脚”是指脉冲的上升沿或脉冲的前期平台部分能量（强度）水平较低。“低脚”脉冲可以避免因压缩 过快引发界面上等离子体的不稳定，最终冷燃料被压缩成更高的密度；缺点在于压缩速度较慢、压缩过程较长，具有不稳定性。与之相反 ，“高脚”脉冲可使燃料更快内爆，尽管无法获得高密度的燃料，但它可能有助于控制燃料的混合。

为提高等离子体的稳定性和调控内部能量转换，NIF尝试进行改进，选择“高脚”激光脉冲取代原有的“低脚”脉冲。 在将“低脚”激光注人脉冲调整为“高脚”脉冲后，使用192支激光束在多处实施不同照射强度的试验，以期获得更均匀的内爆。数轮试验的结果显示，在其他条件基本不变的情况下，相互作用的内爆反应结果有了很大的改变，尤其是产出的中 子数有了极大提高。2014年2月，《自然》周刊和《物理评论快报》上分别刊登了这一突破性研究成果及相关评论。

NIF于2013年8月12日进行的一次激光轰击实验证明采用“高脚”脉冲方案，该次实验产生的能源输出量较历次实验又打大幅提升，首次证明“高脚”脉冲方案的合理性。同年9月27日和11月19日进行的两次实验获得的结果更是突出，产生的能量（14.4千焦和17.3千焦）比内爆过程中沉积在核聚变燃料里的能量（11千焦和9千焦）更多，能量输出大幅度提升到此前最髙记录的10倍，并且展现出明显的自持燃烧反应过程。研究人员对实验结果分析后认为，此前实验中，内爆后球状靶丸通常会变形，能量持续产生的效率降低；而“高脚”脉冲精准地控制了球状靶丸内部的作用过程，初期相互作用产生的氦原子核可将能量再次转移至等离子体内部，引发进一步的加热和聚变反应，从而产生更多能量。因此，最终靶丸产出的能量超过了消耗的能量。这一结果鼓舞人心，因为这是有史以来人类首次通过激光驱动实现能量增益的大幅提升。

需要指出的是，这一结果并不是整体激光输入能量与中子输出能量之比，仅是注入或进入到等离子体内部的激光能量与中子输出能量比，而注入等离子体内部的激光能量只是整体激光输入能量的一小部分，本义上的“点火”仍未真正实现。 能量增益过小的原因在于，“高脚”脉冲是通过减少最终压力来控制内爆过程中混合燃料的不稳定性，但要形成相互作用转换 的能量高收益，必须再次利用“低脚”脉冲增加压力，使得燃料密度变得足够大。今后究竟采用怎样的驱动脉冲还需要更多的尝试和验证。鉴于目前尚不明确真正获得高收益的方法是哪种，NIF的科学家认为今后需要选择不同的研发方向进行尝试。

即便如此，相互作用首次实现能量总增益这一关键性进展意味着点火研究迈出了实质性的一步。国际上，许多科学家对今后的进展持乐观的态度，他们认为，“这是非常有意义的研究成果，是迈向更高收益的良好起点”。这些评价无疑对美国政府继续支持NIF起到了正向助推的作用。

当然，对此结果持否定态度的也大有人在，因为NIF实验获取的能量“盈余”十分有限。一些科学家估计，要让核聚变反应持续发生，这一“盈余”必须达到输入能量百倍以上。由此看来，现阶段离点火目标的实现仍很远，受控核聚变真正为人类所用是一个“十分遥远的希望”。

五、评述与展望

尽管可喜的成果证明激光聚变点火仍有继续研究的必要性，预示在未来很有希望实现极大的突破，但它仅是物理探索过程中观察到的一个新结果，难以完全说明对实现核聚变究竟有怎样的帮助，因此需要理性看待NIF的研究进展。笔者认为，实现点火之路漫漫，仍需付出艰苦的努力。理想的驱动方案至今不甚明了，探索规律的过程是曲折而艰辛的。科学家们需要进一步回顾激光驱动核聚变的历史演进，多角度深入思考NIF基于的激光模拟理论是否具有科学性。激光压缩的方案是根据核爆方案的模拟设计出的，而激光驱动和爆炸驱动之间有着太多的物理与化学效应不对等性。此外，由于目前仍然无法确定激光装置的性能指标是否已 经达到了聚变反应的要求，因此需要进一步考虑提升和发展驱动激光源本身，同时对靶丸等各方面的设计与应用也需要深入研究。而在对激光压缩参数和控制方式（如关于均匀性的控制）的关键技术研究过程中，“高脚”脉冲仅是其中一个有意义的尝试，其他包括冲击点火、 快点火 、超短脉冲作用等驱动方案能否加强激光与等离子体的相互作用也值得进一步探索。

激光驱动核聚变是人类利用核能的一种极具可行性的途径，若能实现将彻底改变世界能源状况。然而，激光驱动核聚变计划的推进需要物理学等领域研究的发展，只有进一步提供激光器系统以极大改善激光脉冲的控制能力，并采用更新颖的驱动方案，未来才有可能在点火物理和工程技术上获得超过现有水平的创新和突破。