贺贤土院士：混合驱动方案为核聚变能研究打开一扇新大门

　　燃料取之不尽的核聚变能是人类未来的理想能源。目前，要在地球上实现可控核聚变能，主要有磁约束和惯性约束两大路线。

　　日前，我国激光驱动惯性约束聚变领域的领军者、中国科学院院士贺贤土接受科技日报记者独家专访，介绍了中国在这一领域的最新进展。

　　激光惯性约束聚变沿用两种方案

　　贺贤土向记者介绍，激光驱动惯性约束聚变长期以来一直沿用直接驱动和间接驱动两种方案。前者依靠激光直接加热含氘氚燃料靶球外壳（烧蚀层）表面，产生高温高压，内爆压缩燃料到高密度，并在局部产生高温实现点火，在向球心运动惯性支持下，完成自持热核燃烧放出大量聚变能；后者则是将靶球放置在一个原子序数较高的元素（高Z元素）金属壁黑腔中，激光从入射孔照射到腔体内壁，被吸收后转换为高温辐射（热X射线）。高温辐射快速加热靶球烧蚀层表面，产生高温高压，形成类似直接驱动的燃料内爆压缩和点火燃烧过程。

　　不久前，采取间接驱动方案的美国国家点火装置（NIF），用2.05兆焦耳能量再一次在实验中实现了能量增益（输出聚变能与输入激光能量之比）约2.53的聚变能输出点火演示，这也是目前实现能量增益最大的一次点火演示，再次证实了激光惯性约束聚变的科学可行性。

　　惯性约束聚变除了可用于聚变能研究，其派生出的高能量密度科学对基础研究、国防科技等领域同样具有重大价值。特别是其提供的极高驱动压力，可以为极端条件下物质性质和运动规律研究提供重要条件，为高新技术研发提供重要基础。

　　贺贤土告诉记者，直接驱动方案和间接驱动方案有一个共同的不足之处，即当激光或辐射能量作用到靶球表面被吸收时，产生的高温高压等离子体会快速向外膨胀，导致辐射烧蚀面上的密度急剧下降，驱动压力不足。

　　“如果只是温度高、密度低，那么驱动内爆的压力就无法升得足够高，内爆速度就不够快。这会导致在内爆过程中，出现微小的不均匀性，引发流体力学不稳定性，进而破坏燃料球对称压缩，导致点火困难。”贺贤土介绍，寻找一个足够高强度且均匀性好的驱动压力，能够对燃料进行稳定的内爆压缩和点火，输出高增益聚变能，成为全球惯性聚变研究者的共同目标。

　　高增益惯性聚变能输出有望实现

　　围绕上述目标，贺贤土在总结NIF及国际上其他惯性约束聚变实验结果的基础上，提出了新的混合驱动方案，并率领团队开展理论和数值模拟研究。该方案最近在我国神光激光器上得到实验实证。

　　在混合驱动方案中，用于实验的激光分为间接和直接入射两种，作用过程可以分为两个阶段。

　　贺贤土解释，在第一阶段，先用传统的间接驱动方法提供高温辐射，对燃料进行预压缩。同时，靶球烧蚀面快速膨胀的等离子体在冕区远处产生一个临界面。在第二阶段，间接驱动激光继续提供高温辐射，进一步预压缩燃料。其间，在合适时机，另一部分直接驱动激光入射到临界面附近，被吸收后转换成超声电子热波，然后再被慢化为等离子体压缩波，将烧蚀面上不断烧蚀下来的低密度等离子体等温压缩成高密度等离子体。

　　“采用这种方法，便可以成功将高温、低密度的间接驱动压力改造成高温、高密度的混合驱动压力。”贺贤土说，混合驱动方案不仅可以提供比间接驱动方案高出许多倍的驱动压力，同时还具有极佳的均匀性。其提供了大的内爆速度，使燃料能够被快速压缩到高面密度，在流体力学不稳定性尚未充分发展前，实现点火和高增益聚变能输出。

　　不久前，贺贤土与其他科学家组成的研究团队在《自然·通讯》发表了混合驱动方案的相关实验结果。

　　实验中，团队用5万多焦耳的间接驱动激光能量和仅4千焦耳的直接驱动激光能量，便获得了1.8亿大气压的混合驱动压力，是目前国际上得到的最高驱动压力，是NIF约2兆焦耳激光能量在碳氢烧蚀层表面产生的间接驱动压力的1.8倍。贺贤土告诉记者，如果应用与NIF点火同样的2.05兆焦耳激光能量，混合驱动方案将可在碳氢烧蚀层表面获得10亿大气压的驱动压力，是NIF驱动压力的10倍。

　　贺贤土表示，应用实验确认的定标关系和二维理论模拟，在如此高强度且对称性好的混合驱动压力下，仅需约1.7兆激光能量，便可实现输出聚变能增益10以上，为我国惯性约束聚变高增益点火靶的设计提供了重要参考。

　　“虽然NIF率先实现了点火，但我们凭借自主研究发现，在与NIF同样激光能量下，可以获得更高效率和增益的聚变能。”贺贤土说。