燃料取之不盡的核聚變能是人類未來的理想能源。目前，要在地球上實現可控核聚變能，主要有磁約束和慣性約束兩大路線。
日前，我國激光驅動慣性約束聚變領域的領軍者、中國科學院院士、北京大學應用物理與技術研究中心榮譽主任賀賢土介紹了中國在這一領域的最新進展。
中國科學院院士、北京大學應用物理與技術研究中心榮譽主任賀賢土。
01激光慣性約束聚變沿用兩種方案
賀賢土院士介紹，激光驅動慣性約束聚變長期以來一直沿用直接驅動和間接驅動兩種方案。前者依靠激光直接加熱含氘氚燃料靶球外殼(燒蝕層)表面，產生高溫高壓，內爆壓縮燃料到高密度，并在局部產生高溫實現點火，在向球心運動慣性支持下，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原子序數較高的元素(高Z元素)金屬壁黑腔中，激光從入射孔照射到腔體內壁，被吸收后轉換為高溫輻射(熱X射線)。高溫輻射快速加熱靶球燒蝕層表面，產生高溫高壓，形成類似直接驅動的燃料內爆壓縮和點火燃燒過程。
不久前，采取間接驅動方案的美國國家點火裝置(NIF)，用2.05兆焦耳能量再一次在實驗中實現了能量增益(輸出聚變能與輸入激光能量之比)約2.53的聚變能輸出點火演示，這也是目前實現能量增益最大的一次點火演示，再次證實了激光慣性約束聚變的科學可行性。
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對基礎研究、國防科技等領域同樣具有重大價值。特別是其提供的極高驅動壓力，可以為極端條件下物質性質和運動規律研究提供重要條件，為高新技術研發提供重要基礎。
賀賢土院士表示，直接驅動方案和間接驅動方案有一個共同的不足之處，即當激光或輻射能量作用到靶球表面被吸收時，產生的高溫高壓等離子體會快速向外膨脹，導致輻射燒蝕面上的密度急劇下降，驅動壓力不足。
“如果只是溫度高、密度低，那么驅動內爆的壓力就無法升得足夠高，內爆速度就不夠快。這會導致在內爆過程中，出現微小的不均勻性，引發流體力學不穩定性，進而破壞燃料球對稱壓縮，導致點火困難。”賀賢土院士介紹，尋找一個足夠高強度且均勻性好的驅動壓力，能夠對燃料進行穩定的內爆壓縮和點火，輸出高增益聚變能，成為全球慣性聚變研究者的共同目標。
02高增益慣性聚變能輸出有望實現
圍繞上述目標，賀賢土院士在總結NIF及國際上其他慣性約束聚變實驗結果的基礎上，提出了新的混合驅動方案，并率領團隊開展理論和數值模擬研究。該方案最近在我國神光激光器上得到實驗實證。
在混合驅動方案中，用于實驗的激光分為間接和直接入射兩種，作用過程可以分為兩個階段。
賀賢土院士解釋，在第一階段，先用傳統的間接驅動方法提供高溫輻射，對燃料進行預壓縮。同時，靶球燒蝕面快速膨脹的等離子體在冕區遠處產生一個臨界面。在第二階段，間接驅動激光繼續提供高溫輻射，進一步預壓縮燃料。其間，在合適時機，另一部分直接驅動激光入射到臨界面附近，被吸收后轉換成超聲電子熱波，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、低密度的間接驅動壓力改造成高溫、高密度的混合驅動壓力。”賀賢土院士說，混合驅動方案不僅可以提供比間接驅動方案高出許多倍的驅動壓力，同時還具有極佳的均勻性。其提供了大的內爆速度，使燃料能夠被快速壓縮到高面密度，在流體力學不穩定性尚未充分發展前，實現點火和高增益聚變能輸出。
不久前，賀賢土院士與其他科學家組成的研究團隊在《自然·通訊》發表了混合驅動方案的相關實驗結果。
實驗中，團隊用5萬多焦耳的間接驅動激光能量和僅4千焦耳的直接驅動激光能量，便獲得了1.8億大氣壓的混合驅動壓力，是目前國際上得到的最高驅動壓力，是NIF約2兆焦耳激光能量在碳氫燒蝕層表面產生的間接驅動壓力的1.8倍。賀賢土院士表示，如果應用與NIF點火同樣的2.05兆焦耳激光能量，混合驅動方案將可在碳氫燒蝕層表面獲得10億大氣壓的驅動壓力，是NIF驅動壓力的10倍。
賀賢土院士表示，應用實驗確認的定標關系和二維理論模擬，在如此高強度且對稱性好的混合驅動壓力下，僅需約1.7兆激光能量，便可實現輸出聚變能增益10以上，為我國慣性約束聚變高增益點火靶的設計提供了重要參考。
“雖然NIF率先實現了點火，但我們憑借自主研究發現，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。
免責聲明：本網轉載自合作媒體、機構或其他網站的信息，登載此文出于傳遞更多信息之目的，并不意味著贊同其觀點或證實其內容的真實性。本網所有信息僅供參考，不做交易和服務的根據。本網內容如有侵權或其它問題請及時告之，本網將及時修改或刪除。凡以任何方式登錄本網站或直接、間接使用本網站資料者，視為自愿接受本網站聲明的約束。
