激光聚变的定义
激光惯性约束聚变，简称激光聚变，是一种利用激光装置驱动含有氘氚燃料的靶丸，通过压缩和加热氘氚等离子体至高能量密度状态并维持一定时间，从而实现聚变反应并释放能量的技术。
激光聚变的过程可分为四个主要阶段：
首先是强光辐照，激光束或X光快速加热靶丸表面，形成等离子体烧蚀层；
其次是内爆压缩，靶丸表面热物质向外喷发，反向压缩燃料；
第三是聚变点火，通过向心聚爆，氘氚核燃料达到高温高密度状态；
最后是聚变燃烧，热核燃烧在压缩燃料内部蔓延，放出能量，实现能量增益。
激光聚变主要阶段示意图，摘自中国物理学会期刊网
原理
在激光核聚变过程中，靶丸的设计是至关重要的。靶丸通常呈球体形状，其核心区域大约3毫米半径内含有低密度（不超过1克/立方厘米）的氘和氚气体。靶丸的外壳由烧蚀层和燃料层构成：烧蚀层厚度大约200到300微米，采用二氧化硅等原子序数较低的材料；燃料层厚度约为300微米，由液态氘和氚组成，总质量大约5毫克。某些靶丸的中心是真空状态，其外壳由含有氘和氚元素的塑料构成；而其他一些靶丸则使用固态氘和氚作为燃料，外壳由玻璃材料制成。
当激光以对称方式照射到靶丸表面时，烧蚀层的材料会蒸发并电离，形成等离子体。激光的能量有一部分在临界密度层（等离子体的频率与入射激光频率相匹配的区域）被反射，而另一部分则被等离子体吸收并加热。等离子体的热量通过热传导作用穿透临界密度层，向烧蚀层内部传递，导致烧蚀层材料蒸发并向外扩散，产生反作用力，类似于火箭推进的原理，推动靶丸外壳向中心压缩，形成向心爆聚效应。这个过程通过球形激波传播，使得靶丸内部的氘和氚燃料密度和温度上升。
如果激光脉冲的波形设计得当，球形激波可以汇聚到靶丸的中心区域，优先加热该区域的氘和氚燃料，形成热点。当热点的温度足够高，达到引发核聚变反应的条件时，释放出的聚变能量将驱动超声热核爆炸波，沿着靶丸的径向向外传播。这将在靶丸物质移动之前，加热燃料层中的聚变燃料并引发核聚变反应，最终摧毁烧蚀层。
因此，激光束的能量主要用于产生向心爆聚和加热靶心的热点燃料，而不是均匀加热整个靶丸至热核聚变所需的温度，这降低了对激光器功率的要求。
驱动类型
激光聚变研究中，驱动方式的选择至关重要，主要分为三种类型：间接驱动、直接驱动和混合驱动。
间接驱动：间接驱动在激光聚变中扮演着至关重要的角色。这一方法涉及使用激光束照射一个高原子序数材料制成的黑腔内壁，以产生X光。这些X光随后均匀地辐照并驱动置于黑腔内的聚变燃料靶丸，通过靶丸的内爆过程实现热核聚变点火与燃烧。黑腔的形状可以是圆柱形、球形或橄榄形等，而靶丸结构相对简单，由氘氚气体、氘氚冰和非聚变材料球壳组成。间接驱动的关键在于实现高效的激光到X光的转换以及均匀的X光场，这通常需要高原子序数材料来优化X光的发射和减少能量漏失。
激光聚变间接驱动方式示意图，摘自中国物理学会期刊网
直接驱动：直接驱动是一种更为直接的激光聚变方法，其中激光束直接照射在聚变燃料靶丸上，压缩并加热燃料至所需的高温和高压状态，以实现聚变点火。与间接驱动相比，直接驱动对激光束的均匀性和精确性有着极高的要求，以确保靶丸压缩的对称性并避免产生破坏聚变过程的不稳定性。直接驱动的优势在于能够较高效地利用激光能量，并且靶丸设计相对简单。然而，这种方法也面临着激光等离子体相互作用带来的挑战，需要精细调控以确保有效的能量传递和压缩效率。
激光聚变间接驱动方式示意图，摘自中国物理学会期刊网
混合驱动：混合驱动结合了间接驱动和直接驱动的特点，旨在提高聚变反应的效率和增益。在混合驱动中，一部分激光能量用于间接驱动，通过黑腔产生X光来加热燃料，而另一部分激光能量则直接作用于靶丸，增强压缩和加热效果。这种方法的优势在于可以调节X光和直接激光驱动的比例，以优化内爆性能并提高能量增益。混合驱动的研究仍在进行中，旨在解决单一驱动方式的局限性，并探索实现更高效率聚变反应的新途径。通过结合两种驱动方式的优点，混合驱动为实现更稳定和高效的聚变点火提供了新的可能性。
混合驱动激光聚变示意图，摘自中国物理学会期刊网
发展历程
-1960年：激光器问世，激光聚变研究的基础。
-1964年：前苏联科学家Basov等人提出利用激光产生高温等离子体的思想。美国科学家Dawson发表文章，论述了利用大能量激光产生高温等离子体的可能性。
-1964年10月4日：中国科学家王淦昌提出利用激光打靶产生中子的设想。
-1972年：美国LLNL的J. H. Nuckolls等人发表文章，系统研究激光直接驱动氘氚微球内爆实现高压缩热核聚变的技术途径。
-1974年：中国采用一路激光驱动聚氘乙烯靶发生核反应，观察到氘氘反应产生的中子。
-1975年：LLNL的J. D. Lindl等人提出可能采用间接驱动方式，利用激光转换得到的辐射驱动靶丸，实现高增益的激光聚变。
-1985年：美国在NOVA激光装置上开展了一系列点火前的物理研究。
-1986年：中国激光核聚变实验装置“神光”研制成功。
-1991年：《聚变能杂志》发表报告，评估了美国、欧共体、日本和加拿大的可控热核聚变研究计划。
-1993年1月15日：美国能源部批准建造NIF装置。
-1997年5月29日：NIF装置举行开工仪式。
-2009年3月29日：NIF装置建成。
-2010年：NIF开始进行首次实验。
-2012年：NIF实现了其首次重大的激光聚变实验。
-2013-2018年：NIF进行了一系列实验，改进靶设计和激光驱动策略，实现燃料增益提高。
-2019-2021年：NIF继续实验，探索不同的靶设计和激光配置。
-2022年12月5日：NIF实现了历史性的突破，聚变反应产生的能源首次超过了激光输入的能量。
-2022年12月13日：美国能源部宣布NIF实现了热核聚变点火。
-2023年：美国能源部宣布NIF连续三次点火成功。
NIF项目
美国国家点火装置（National Ignition Facility，简称NIF）是一个旨在实现激光聚变点火的重大科学项目。NIF位于美国加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory），是美国能源部国家核安全局（NNSA）的一个关键项目。NIF的主要目标是通过激光聚变实验，探索核聚变作为能源的可能性，并为核武器的科学研究提供支持。
NIF装置由192束高能激光组成，这些激光能够集中照射在一个微小的靶丸上。激光的波长为0.35微米，设计输出总能量为1.8兆焦耳（MJ）。这种高能量的激光系统用于压缩并加热靶丸内的氘和氚燃料，以实现核聚变反应。
NIF的科学目标是实现能量增益，即聚变反应释放的能量大于输入的激光能量。实现激光聚变点火面临多项技术挑战，包括确保激光能量的有效传递、控制靶丸压缩的对称性、管理激光等离子体不稳定性以及优化靶丸设计等。2022年12月13日，美国能源部宣布NIF在一次实验中实现了超过3.15 MJ的聚变能量输出，这标志着NIF首次实现了能量增益大于1的聚变点火。这一成就被认为是21世纪科学领域的一项重大突破。
参考链接：
- https://mp.weixin.qq.com/s/z4A2eCH4Wbt2Wp2gFKWBaQ
- https://www.laserfair.com/news/202005/17/75984.html
- https://lasers.llnl.gov/news/high-energy-shot-puts-nif-back-on-track-toward-ignition