郑万国，齐红基
(1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心，绵阳 621900；
2.中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800)
郑万国(1966—)，中国工程物理研究院激光聚变研究中心研究员，博士生导师，中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室副主任，国家某重大项目总设计师。《人工晶体学报》顾问，中国光学工程学会常务理事，中国光学学会测试专委会主任、激光专委会委员。先后任国防科技大学、上海交通大学、中国科技大学、电子科技大学、南京理工大学和西南科技大学兼职教授，《强激光与粒子束》副主编，MatterandRadiationatExtremes编委。长期从事高功率激光技术与应用研究以及工程研制，在国内外学术刊物上发表论文400余篇，撰写学术专著2部，获国家科技进步奖3项。
问：美国能源部及其下属的国家核安全管理局于2022年12月13日宣布在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)取得几十年来最大的科学突破，国家“点火”装置(national ignition facility, NIF)首次在可控核聚变实验中实现核聚变反应的净能量增益，在人类历史上首次达到了聚变产能大于驱动聚变发生的激光能量这一“点火”里程碑，发布会传递了哪些重要信息？
答：新闻发布会最核心的内容是向全世界宣布美国在可控核聚变研究上率先实现了实验室“点火”，即聚变放能超过驱动聚变反应的激光能量，利用2.05 MJ的激光能量驱动氘氚靶丸内爆，释放了3.15 MJ聚变能。应该说，本次发布会背后的聚变实验，是人类首次在实验室内实现增益大于1的可控核聚变，是惯性约束聚变(inertial confinement fusion, ICF)研究实现“点火”的里程碑事件，是载入人类史册的重大科技突破，为未来聚变能技术的发展打开了新的大门。图1是NIF十年间“点火”实验的聚变产能与激光最大能量对比。
图1 过去十年来NIF聚变产能与激光能量对比Fig.1 Comparisons of the NIF fusion yields and laser energies of the last decade
发布会安排了与聚变实验相关的6个方面的科学家代表对各自工作进行了介绍，分别是实验、物理、驱动器、制靶、诊断、能源，其中前5个方面是实验室ICF的主要组成，而能源则是ICF在实验室聚变“点火”成功后，未来必然的发展方向。
除宣布“点火”成功外，发布会还提供了3个影响“点火”的重要因素分析：(1)能量提升对于实验优化提供了更多的冗余空间；
(2)靶丸的缺陷在一定程度上不可避免，而且不可预测和控制；
(3)在能量提升的基础上，采用大靶丸通过激光波形改善内爆不对称性。
问：整个系统的输出能量大于输入能量是非常困难的，激光聚变是如何实现这一目标的？聚变反应的实现途径有哪些？科学家通过半个多世纪努力才取得聚变“点火”的历史性突破，其难点在哪里？
答：核反应包括核裂变与核聚变，其基本原理为：原子序数较高的重原子核分裂为质量较轻的轻原子核，以及原子序数较低的轻原子核融合为原子序数更高的重原子核时，质量发生亏损，根据爱因斯坦著名的质能方程，这部分损失的质量将转化为能量，并在原子核分裂或融合时放出中子，引起更多的原子核发生链式反应，从而释放出巨大的能量。迄今，人类已经实现对核裂变过程的控制，建造了裂变反应堆，实现了裂变能的利用，但裂变材料的储量有限，裂变过程存在过热的风险，且裂变过程会产生有害的核废料，利用其作为能源会带来一系列新的问题。相比之下，聚变利用氢的同位素融合产生氦并释放聚变能，其燃料放能比同等质量裂变燃料放能高出数倍，且不产生有害的核废料，同时地球上储存的氢同位素极其丰富，是人类理想的清洁能源来源，全世界的能源科学家和工程师为实现实验室可控核聚变共同努力了逾半个世纪！
实现可控核聚变的难点在于如何有效约束聚变放能时核燃料在高温高压下的膨胀飞散。若燃料燃烧不完全就飞散，则燃烧率低，大量燃料被浪费；
若能够有效约束燃料飞散，使其充分燃烧，则仅需有限的燃料就可以实现巨大的聚变放能，实现能量增益。自然界中如太阳等恒星依靠自身巨大的引力，使聚变产生的物质膨胀与向内的引力约束达到平衡，轻核在太阳表层持续发生聚变反应，释放巨大能量。但在地球上想要产生约束核聚变反应的极端条件非常困难，需要达到所谓的“劳森判据”，即物质的温度、压力、约束时间的乘积达到一定数值，才能维持核聚变反应发生。人类为实现“劳森判据”的约束条件，提出了两种实验室技术路线，即磁约束聚变与前面提到的ICF。
磁约束聚变利用带电粒子在磁场中会受到特定方向的力这一原理，在稳定状态下利用强磁场实现较长时间的等离子体状态(聚变条件下物质处于等离子体状态)维持。这一技术路线的特点是，等离子体可以在较长时间内得到维持，在实现“劳森判据”时，相应的物质温度和压力可以更低，其代表性装置为托卡马克装置。
ICF利用物质运动的惯性力量约束等离子体快速飞散，并在约束的短暂时间内使聚变燃料充分燃烧。从物理原理上，太阳等恒星产生的引力约束本质上也属于惯性约束。但在地球上实现这一技术路线却难得多，其原因在于等离子约束时间短(通常在数亿分之一秒)，物质需要达到极端的温度和压力(亿度高温、亿倍大气压)。ICF通常利用激光、加速器等驱动器压缩氘氚燃料的靶丸，使其达到极端物质状态，代表性装置包括激光驱动器、Z箍束装置等。由于激光驱动的ICF涉及的物理过程和创造的极端条件与氢弹相似，可以用来研究核武器动作过程和武器效应以及核武器库存管理，所以成为禁止核试验条约签订之后美国核武库安全保障重要支柱之一。同时，ICF实验产生高温高密度物质状态，可以用来研究材料极端特性，研究宇宙起源，成为高能量密度物理研究的重要手段。
激光聚变是目前唯一实现了聚变“点火”的ICF技术路线，其基本原理如图2所示。将激光在特殊材料制备的黑腔内转化为X光，再利用X光对靶丸进行压缩，在数ns(数亿分之一秒)的时间内约束等离子体的聚变燃烧，最终实现能量增益。人们还提出利用另一束极短的、功率极高的激光对压缩后的靶丸进行“点火”，所需的激光作用时间仅ps量级(万亿分之一秒)，对激光技术提出极高要求。为实现激光聚变，人类历经半个多世纪，发展了极为复杂却极其精密的激光技术，实现了激光参数的精密调控，以满足极端条件下的精密物理实验需求。
图2 激光聚变的物理过程示意图Fig.2 Schematic diagram of the physical process of laser fusion
问：1960年激光诞生后不久，世界各国的科学家就开展了激光核聚变研究，尤其是美国在该领域一直处于领先地位，其聚变“点火”研究经历了怎样的过程？
答：美国的激光聚变研究已经持续了逾半个世纪，建造了能量从小到大的系列激光装置，真正达到“点火”驱动能量水平的是美国国家“点火”装置(NIF)，也是世界上目前唯一建成并持续开展物理实验的聚变“点火”级激光装置，如图3所示。
图3 美国激光聚变驱动器发展过程示意图Fig.3 Schematic diagram of the development of U.S. laser fusion driver
美国的“点火”实验主要在NIF装置开展，其包含装置建设在内的研究过程主要分为四个时期：
1997—2009年，NIF装置建设，历时12年。但NIF建成后并未立即实现满能量(1.8 MJ)输出，而是以半能量运行为主，至2012年首次实现了1.8 MJ设计能量点输出。
2009—2012年，国家“点火”攻关(national ignition campaign, NIC)计划，历时3年。然而NIC计划未能按设计参数实现“点火”，历经三年攻关失败，导致整个惯性约束聚变项目进入低谷。
2012—2021年，营地战略，历时10年。以问题为导向，对导致NIC失败的原因进行分析，并有针对性地逐个判断研究，采取应对措施。该阶段提出了交叉光束能量转移(crossed-beam energy transfer, CBET)等重要技术手段。2020年，NNSA对整个“点火”项目进行了评估，结果较为悲观，认为短期内难以在NIF装置上实现“点火”。
2021—2022年，快速突破。随着营地战略的推进，对原“点火”基准设计进行大幅改进，激光和靶设计都进行了大量优化，于2021年8月8日实现1.35 MJ聚变放能，首次实现聚变放能与激光能量达到同一量级。2022年9月19日再次实现1.2 MJ聚变放能。2022年12月5日实现3.15 MJ聚变放能，是人类历史上首次实现聚变“点火”。
从NIC攻关失败到最终实现“点火”的十年，美国科学家屡战屡败，屡败屡战，通过理论模拟与NIF实验结合发现了系列物理问题，并对物理设计和大量有关实验诊断、激光调控、靶制备技术等进行改进(图4展示了NIF“点火”脉冲的变化过程)，一步一步实现“点火”目标。
图4 NIF“点火”脉冲的变化过程Fig.4 Evolution of the NIF “ignition” pulse shape
2011—2012年，聚变放能约在kJ量级，主要问题为激光等离子体不稳定性(laser plasma instability, LPI)效应严重。由于LPI效应导致内爆不稳定、不对称，只有几乎kJ量级输出，但是积累了大量的物理认知、实验诊断技术、靶制备工艺技术。
2013—2015年，聚变放能25 kJ，采用所谓“高足脉冲”改善内爆稳定性。高足脉冲设计如增加预脉冲功率、缩短激光脉冲等，改善了内爆的稳定性与烧蚀层与燃料的混合，但是牺牲了压缩比，实验结果有明显的alpha加热。
2016—2018年，聚变放能55 kJ，提出Hybrid各类实验，LPI效应改善。高密度碳(high density carbon, HDC)靶丸与低充气的黑腔、大脚激光脉冲共同减少了LPI效应影响。Hybrid实验依赖于激光能量与功率的逐步提高。
2019—2020年，聚变放能270 kJ，采用Hybrid-E实验方案，交叉光束能量转移控制大靶丸的不对称性。该阶段实现了燃烧等离子体，靶丸增益>1(耦合进靶丸的能量)。
2021—2022年，聚变放能3.15 MJ，采用Hybrid-E实验方案。缩小注入孔，减少靶缺陷，减小填充管，调整激光脉冲进一步控制低阶模不对称性，实现了聚变“点火”。
问：NIF实现聚变放能大于激光驱动能量具有划时代意义，代表人类首次通过可控聚变反应实现了能量增益，开创了人类未来终极清洁能源的广阔天地，大家对于ICF及IFE有更高的期待，未来ICF和IFE发展前景如何？
答：目前所谓的增益大于1，更多是从科学意义上而言。对于人类实际能源应用，需考虑增益大于所有投入聚变驱动的能量才具有实用价值。目前NIF装置的电光转换效率约百分之一，要实现聚变能量大于投入的电能，至少需要聚变增益大于100倍。考虑到装置设施运行的其他能耗，以及聚变能再次转化为电能的损失，聚变增益需大于1 000倍。此外，目前NIF装置为单次运行的科学装置，其发次间隔在4～6 h，运行效率低，若要满足能源需求，需将装置运行效率提升至10 Hz，才具备实际应用的意义。
真实的聚变电站应包含驱动器、靶工厂、反应室和能量转换系统等几个核心部分，NIF装置目前仅演示了驱动器在反应室中实现聚变“点火”的可行性，对于真正的聚变能应用，还有大量基础技术需要发展。应从“多位一体”角度，发展完整的聚变能源电站概念，明确电站为纯聚变堆或混合堆，确定驱动方式、运转模式，给出关键系统，含驱动器、制靶工厂、反应靶室、能量转换系统等概念，分析聚变电站的经济性及其对国民经济的效益，提出为构建人类命运共同体、解决人类终极能源问题的中国聚变电站概念方案。应加强该领域投入和研究，以激光聚变“点火”为主要技术路线，推进皮实高效聚变放能技术研究、重频高效的聚变级激光装置总体设计和关键技术研究、高效高精度制靶技术发展、高损伤阈值多功能反应靶室技术研究。
从激光技术发展的现状和趋势看，100 J、10 Hz、10 ns是近二十年来国内外各研究团队默契设定、孜孜以求的第一个“小目标”，且在最近几年取得了较为明显的突破。在该能量水平上，可以充分发挥科技界、工业界的力量，发展更多的潜在技术方案以支撑重频激光技术进步。
未来，面向IFE的重频激光技术仍需发展到总能量数MJ、单束能量>1 000 J、能量转换效率>10%(插头效率)的技术路线，其规模和体量较大，技术发展势必要回归举国家之力、小核心大协作的局面，形成IFE技术蓬勃发展的科研技术圈，带动新一轮技术、产业的蓬勃发展。
问：激光晶体作为激光聚变装置的核心材料，为实现聚变“点火”这一里程碑节点发挥了不可替代的作用，可否请您具体谈一谈人工晶体在激光聚变研究中的作用，以及目前激光聚变的发展对相关晶体有哪些需求，给同领域研究人员以启示？
一代材料，一代器件，一代装置。激光核聚变研究始终是基于材料的发展而发展的，人工晶体是研究的核心材料，必不可少。在我国，ICF研究得到了人工晶体界各位专家老师的大力支持。未来新材料的发展是激光技术进步的基础，各类新的人工晶体材料发展必将推动激光聚变迈向新的时代。
激光聚变未来的发展趋势是由当前单次运行的实验模式转为重频运行，以满足聚变发电的长远需求。此外，仍需持续发展高峰值功率的超短脉冲激光以满足诊断的需求。因此，当前和未来激光聚变对人工晶体提出了更多功能和性能要求，迫切需要开发重频增益介质、高抗损伤激光晶体，以及其他新型非线性晶体材料等。具体功能和性能要求如表1所示。
表1 激光聚变发展趋势及对人工晶体材料的功能和性能需求Table 1 Development trend of laser fusion and its requirements for the function and performance of synthetic crystals
近期，LLNL基于Tm∶YLF设计了平均输出功率为300 kW的高重频PW激光装置，也使得掺Tm增益材料(如Tm∶CaF2/SrF2晶体)受到广泛关注。该类材料能够实现大口径制备，激发态寿命长；
可在低浓度掺杂(1%～3%)条件下实现强交叉弛豫，获得近200%的量子效率；
形成高度无序的局域配位环境，2 μm波段发射光谱有效带宽达142 nm。
具有大非线性系数的晶体是激光聚变领域持续关注的材料，如LBO、YCOB、KDP/DKDP等，它们具有大的有效非线性系数、高的损伤阈值，适合应用于激光聚变系统。
YCOB晶体可以用熔体法生长，生长速度快，可生长大口径晶体，且非线性激光晶体物化性能好，不易潮解，激光损伤阈值大，温度带宽和增益带宽大，可支撑超短至10 fs应用，且适合高重频应用。英国RAL超短超强激光系统研发采用YCOB作为倍频晶体；
欧盟ELI把YCOB晶体列为高重频超短超强激光OPCPA光路的候选晶体。
此外，有前景的面向聚变能源的增益材料如Nd∶LuAG，其饱和通量为2 J/cm2，对光学元件具有良好的适应性。
表2 不同材料的主要激光特性Table 2 Main laser performances of different materials
问：美国“点火”成功是该领域全世界科学家长期不懈努力的结果，科学探索具有很大不确定性，据我所知该领域也遭受过低谷，最终凭借大家努力，取得里程碑成绩，这些经历给我们带来哪些启示？
答：NIF在2009年建成初期，全世界给予了极大关注，相信其很快能够实现聚变“点火”，突破人类追求了半个世纪的实验室可控核聚变的宏伟目标。但NIC的失败犹如当头一棒，使国际ICF热潮瞬间冷却，各种批评的声音此起彼伏，美国国会也削减了对ICF的投入，使得NIF用于开展ICF“点火”研究的发次进一步减少。至特朗普政府时期，一度传出要大幅削减ICF研究项目的传闻，引发了一场ICF研究领域的危机，并使得美国以罗切斯特大学为代表的学界和LLNL联合起来向国会发声，力保NIF、OMEGA等激光装置的研究投入。2020年，美国能源部核安全管理局NNSA对NIF实现“点火”的可行性进行了评估，来自洛斯阿拉莫斯和LLNL的部分专家都对NIF实现“点火”表达了悲观态度，认为NIF难以在短期内实现聚变“点火”。LLNL认为需将耦合进靶丸的能量提升3倍才有可能实现“点火”。显然，在2021年8月8日的发次前，NIF经历了大起大落的过程，从万众期待中跌落神坛，并导致全世界ICF研究一并跌入谷底，在2012年以前非常火热的聚变能研究也至此偃旗息鼓。
但NIF的科学家们显然坚持了自己的追求，通过步步为营的策略，不断修正物理参数，NIF获得了逐步提升的聚变产能，直至2021年8月8日，NIF利用1.9 MJ激光能量产生了1.35 MJ聚变放能，尽管尚未实现增益大于1，但已经使聚变产能与驱动聚变燃烧维持的激光能量达到同一量级。这一突破从科学、技术、工程多个方面证明了实验室实现可控聚变的可行性。而这一突破，距离评估报告的提出仅仅一年的时间。NIF后续继续开展优化的“点火”实验，2022年9月19日，NIF利用2.05 MJ激光能量产生了1.2 MJ聚变放能，复现了～MJ量级的聚变实验。2022年12月5日，NIF利用2.05 MJ激光能量产生3.15 MJ聚变能，真正意义上实现了人类的首次聚变“点火”，而这一里程碑式的突破，距离上次不可能实现“点火”的评估，仅仅过去两年时间。
LLNL科学家在困境中成功“逆袭”，在所有人都不看好的情况下，通过不断努力，坚持不懈，最终实现了聚变“点火”。想要摘取科学皇冠上的明珠，必须有科学分析和认识问题的态度，不为人所动、坚持到底的毅力，以及久久为功、不因挫折而放弃的精神。NIF的“点火”成功有其偶然的一面，但其十年磨砺坚持不懈，不因困难而退却的精神又使得其实现“点火”成为必然。想要取得为人羡慕的伟大成就，必然要经得住冷板凳和冷眼。“天将降大任于是人……”，这个道理，我们的祖先在两千年以前就总结出来了！
NIF实现实验室聚变“点火”是载入人类史册的重大科技突破，为了达成这一目标，全世界的科研人员共同努力了逾半个世纪。2022年12月5日的“点火”实验成功打破了科技界流传甚久的一句话——人类距离实现聚变“点火”永远还有五十年。NIF的这一科技突破无疑是伟大的，但其背后也经历了失败和挫折，最终凭借整个团队在逆境中永不言弃的坚持、科学务实的态度、永不停止的向前，实现了人类科技史的里程碑突破。我国的激光聚变事业处于世界发展的前沿，历经几代人的努力，已经站在与世界大国同台竞技的舞台。在“点火”已经成功的大时代中，我国激光聚变事业必将更加蓬勃发展，为世界带去中国方案和中国技术，开创聚变能源领域更为广阔的明天！
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