据中国激光杂志社网，于2023年09月30日报道，激光聚变月报|混合驱动惯性约束聚变核心原理获实验验证。
直接驱动和间接驱动
激光驱动的惯性约束聚变（简称激光聚变）是**应用、发展高能量密度科学以及获取可控聚变能的一种重要方案，它通过将高能、高强度激光转化为强大的驱动压，推动燃料内爆压缩，来实现点火和燃烧。在激光聚变中，获取足够高的驱动压并保证其平滑性是首要目标，也是研究面临的关键挑战。
美国国家点火装置（NIF）采取的是间接驱动（ID）方式。借助高Z柱形黑腔，激光能量在腔内壁首先转化为热X射线，然后热X射线烧蚀含有氘氚燃料的球形靶丸表面产生辐射烧蚀压驱动内爆压缩。ID的优点是X射线具有大的质量烧蚀率，X射线快速加热（烧蚀）靶丸外壳（烧蚀层）使表面快速膨胀，形成一个低密度大尺度高温冕区等离子体。然而缺点是：表面等离子体密度低。我们知道，在理想等离子体中，压力只与等离子体密度和温度成正比，这样，对ID驱动方式，驱动燃料压缩内爆的压力不可能理想的高。即使辐射温度高达300 eV，在塑料（CH）壳层表面所产生的辐射烧蚀压（驱动压力）只有约100 Mbar（1 Mbar=百万大气压），在金刚石（HDC）壳体表面辐射烧蚀压为134 Mbar。
此外，通常在壳层表面的辐射烧蚀压不可能完全均匀，所以间接驱动产生的冲击波是非球对称的，内爆过程存在流体力学不稳定性。由于辐射烧蚀压的强度限制，目前NIF实验其内爆速度只达到约390 km/s，这导致其点火时刻发生在很高收缩比的阻滞时刻。而高收缩比的阻滞时刻通常是内爆过程界面流体力学不稳定性发展的关键阶段，这就是尽管NIF利用2.05 MJ的激光能量已经在实验上得到了~1.5的聚变能量增益，但稳定性很难控制、燃耗很低。
直接驱动（DD）方式，不需要黑腔，而是激光能量直接在临界面处被吸收。其优点是激光-靶丸的能量耦合效率相较于间接驱动高，但也存在明显缺点：激光束将在临界面附近相互叠加产生不均匀性扰动，由于电子烧蚀长度有限，DD的压力不均匀性难以消除，这会导致流体力学不稳定性。若要通过提高激光光强来增强烧蚀压，则又会导致严重的激光-等离子体不稳定性。
混合驱动原理
混合驱动（HD）方案是贺贤土院士提出的新型点火方案 [1]。该方案有机结合了DD和ID的优点，较好地消除它们的缺点。相比间接和直接驱动方案，HD方案可以产生强度更高、均匀性更佳混合驱动压，并在阻滞时刻之前实现点火，流体力学不稳定性被很好抑制，达到高的聚变能增益。近期，Nature Communications杂志发表了HD点火方案的最新研究成果：DD激光在预先提供的ID冕区高温等离子体区中生成一种新的效应，即“推土机”增压效应，把ID产生的低密度等离子体堆成高密度等离子体，从而通过提高密度而不是提高温度的方式使驱动内爆的压力（HD压）远大于辐射烧蚀压。同时，ID激光烧蚀形成的在辐射烧蚀面和临界面之间大的距离，也使HD压充分“热匀滑化”。
这样，HD压不仅远高于辐射烧蚀压，并且均匀性好，能够产生对称性好、强度足够高的HD冲击波驱动靶丸稳定内爆、消除了流体力学不稳定性。目前，这些关键物理原理获得了实验验证[2]，
如图1和图2所示，在HD方案中，ID激光的预脉冲和主脉冲相继通过入射孔进入球腔。在第一阶段，只有ID激光作用。ID激光预脉冲能量在球黑腔（而不是NIF的柱黑腔）内壁被吸收转化为热X射线。由于ID所具有的高质量烧蚀率，靶丸表面快速膨胀产生大尺度低密度冕区等离子体，并在辐射烧蚀面和临界面之间产生了一个足够大的间隔。
与此同时，ID辐射烧蚀压也对靶丸燃料进行了预压缩。到了第二阶段，除ID主脉冲继续维持大尺度冕区等离子体并进一步对燃料进行预压缩之外，一定强度DD脉冲也同时沿靶丸半径的反方向进入球腔，在由ID脉冲预先形成的临界面处被吸收，并被转化为超声电子热波从临界面向辐射烧蚀面传播。只要辐射烧蚀面和临界面之间的距离足够大，该电子热波就在未到达辐射烧蚀面前被慢化至声速，这时在前驱冲击波后面形成一个等离子体压缩波。在此情况下，压缩波像“推土机”一样，把低密度冕区等离子体堆积形成高密度HD平台。
这样，在平台中通过增加等离子体密度而不是像ID和DD方案中增加温度的方式，获得远大于辐射烧蚀压的HD压。此外，在超声电子热波慢化过程中，DD激光束在临界面附近相互叠加所产生的压力不均匀性扰动被快速“热平滑”。
因此，不同于已往的ID和DD中的火箭烧蚀模型，在“推土机”和“热平滑”两大效应的作用下，辐射烧蚀压变为了强度更强、平滑度更佳的HD压。HD压驱动的对称HD激波，快速驱动燃料内爆并与从热斑中心反射而来的不对称且相对较弱的ID激波发生碰撞，ID激波被强HD激波吞噬和融合。随后，HD激波代替了ID激波进一步对称地压缩燃料，并在阻滞时刻前进行热斑点火，流体力学不稳定性被消除。
数值模拟与可行性分析
贺贤土院士领导团队做了大量理论和数值模拟研究。如图2所示，在ID激光能量为900 kJ，DD激光能量为825 kJ的点火参数下，一维LARED程序的模拟结果显示，ID激光产生的最高辐射温度可达200 eV（对应的辐射烧蚀压只约45 Mbar），临界面与烧蚀面间距可达 300 μm左右。在此情况下，调节了的1.8 pW/cm2的DD激光产生的超声电子热波完成慢化。不同于DD和ID中的烧蚀火箭效应，HD“推土机”效应将低密ID冕区压缩形成ρHD~4.85 g/cm3的高密度平台，同时带来最高混合驱动压PHD~820 Mbar的HD压（约为辐射烧蚀压的19倍，其中高密度效应导致的强吸收还会进一步将辐射温度从200 eV提高到 270 eV）。
同时，从临界面向辐射烧蚀面传播的超声电子热波完成慢化过程中，其非均匀性也可被”热平滑”掉。模拟结果显示，通过选用合适的连续位相板，压强不均匀性仅为δp/p~0.17%，而包含三维光线追踪的二维模拟同样给出了δp/p~0.2%的出色平滑效果。随着对称的强HD激波的持续作用，燃料内爆速度可达426 km/s，可在阻滞时刻之前实现点火，输出聚变能量可达20 MJ，是入射激光总能量1.725 MJ的约11倍。二维模拟得到的聚变能量增益值与一维模拟得到的也十分接近。
验证性实验结果
贺贤土院士团队在神光III装置上完成了HD方案的实验验证。所使用的激光能量约为100 kJ，波长为0.35 μm。由于神光III上激光能量的限制，球形腔无法提供足够高的辐射温度来满足“推土机”效应的必要条件，因此，实验分为两步。如图3所示，第一步，根据ID能量平衡关系，维持辐射温度Tr=200 eV不变，点火靶中半径为5 毫米的有8个激光入射孔的球黑腔被定标地缩小为只有一个激光入射孔的直径2.5毫米、长1.5毫米的等效半圆柱形黑腔，以满足电子热波慢化所需的距离条件。
第二步，将含有塑料壳层的三明治结构半球靶安装于半圆柱形腔的底部，在Tr=200 eV的辐射温度以及DD激光作用（能量分别为3.6 kJ和4.0 kJ）下，测试HD方案的核心要素——“推土机”增压效应和“热平滑”效果。
在43-52 kJ的DD激光能量下，实验测得的辐射温度峰值达Tr=200±6 eV，这表明所设计的半圆柱腔可以满足发生“推土机”效应所要求辐射温度。根据ID激光能量平衡关系，从实验结果也可以定标推断出，当ID激光能量提高到点火所要求的900 kJ后，在原本设计的半径为5 mm的球形腔内，同样可以产生200 eV的辐射温度，提供产生“推土机”效应的等离子体环境。
随后，利用能量仅为3.6-4.0 kJ的DD激光，实验上精确测量了激波速度的时间演化。利用实验参数，结合数值模拟程序，通过严格复现实验辐射温度和激波速度的时间演化，推断对于半球靶，HD压可达PHD≈170-180 Mbar，是200 eV辐射温度所对应的烧蚀压的四倍左右，此时平台状HD密度约为ρHD≈1.28-1.36 g/cm3。这样的HD压力已经高于NIF装置上利用约2 MJ激光能量通过ID方式产生的CH烧蚀层表面的辐射烧蚀压~100 Mbar（辐射温度约为 300 eV）。
实验还用平面靶（平面靶没有球收缩效应）进行研究，HD压可达PHD≈150-155 Mbar，是辐射烧蚀压的3.5倍左右，此时平台中HD密度约为ρHD≈1.15-1.17 g/cm3。根据这些实验数据，“推土机”效应带来的增压效果得到了很好的验证。根据这些实验结果，获得了 HD 压依赖于DD 能量和 ID 温度的定标关系（与DD激光能量1/4方和辐射温度1次方成正比），它与点火靶模拟结果较好相符，这样的定标关系为点火靶的设计提供了重要参考。
此外，如前所述，200 eV的辐射温度可以使得辐射烧蚀面和临界面之间的距离足够大，进而HD压的不均匀性可以被控制在δp/p<1%，充分证明了HD压的“热平滑”效果。在实验中同样观测到了HD激波抑制非对称ID激波这一重要现象。上述实验结果说明HD方案产生的HD压远高于辐射烧蚀压且平滑性很好，有力地证实了HD方案中的核心原理，为惯性约束聚变稳定内爆和高聚变增益提供了重要途径。
总结与展望
在中心点火激光聚变中，驱动压强的增大和平滑是提高聚变内爆稳定性和实现高增益的关键物理手段。贺贤土院士提出的HD方案有机结合了ID和DD，将辐射烧蚀面和临界面之间距离增加到足够大，通过其独有的“推土机”效应和“热平滑”效应，在点火条件下，可以获得十几倍于辐射烧蚀压且具有良好平滑性的HD压，以实现稳定内爆和非阻滞点火。
目前，由于受到神光III装置的激光能量限制，无法进行点火实验。但通过巧妙的验证性实验，HD中的辐射温度、“推土机”增压效应和“热平滑”效果均得到了很好的验证，从原理上验证了HD方案的优越性。并且，根据实验确认的拟合定标律，为点火靶的设计提供了十分重要的参考。
近期在神光III装置上，贺贤土院士团队还开展了初步的HD内爆实验。由于激光能量限制，在点火靶定标缩小的球黑腔内，他们对内含氘燃料的靶丸开展了HD内爆实验，测得HD的中子产额比ID中子高了好多倍。进一步实验正在计划中。
HD方案的提出是惯性约束聚变领域的一大创新，是中国人自己的点火方案，受到国际同行很高的评价。该方案为解决惯性约束聚变中的增压和抑制流体力学不稳定性等问题提供了新的思路，为惯性约束聚变实现稳定内爆和高聚变增益提供了有效途径。
参考文献：
1 X. T. He et al. A hybrid-drive nonisobaric-ignition scheme for inertial confinement fusion. Phys. Plasmas 23, 082706 (2016).
2. Ji Yan, Jiwei Li, X. T. He et al, Experimental confirmation of driving pressure boosting and smoothing for hybrid- drive inertial fusion at the 100-kJ laser facility, Nature Communications 14 5782 (2023).
作者简介
吴栋，上海交通大学物理与天文学院长聘教轨副教授、博士生导师，阳阳青年学者。2015年，于北京大学获得等离子体物理博士学位，2015-2021年曾在中国科学院上海光机所和浙江大学工作，历任助理研究员、副研究员以及特聘副研究员。研究领域为惯性约束聚变以及高能量密度物理，尤其擅长宏观尺度稠密等离子体的动理学理论建模和数值模拟。开发完成了国际上首套宏观尺度量子简并等离子体动理学数值模拟程序LAPINS，在强激光强流带电粒子与稠密等离子体相互作用以及惯性约束聚变中的量子简并等离子体的动理学研究方面取得创新和突破，形成了研究特色。
在国际主流学术刊物发表一作或通讯作者论文超过30篇，获得首届**基础科研核科学挑战专题高能量密度物理领域“科学挑战英才”称号，提出的包含等离子体屏蔽效应的韧致辐射模拟方法被英国华威大学EPOCH程序采用，获得的高马赫数量子简并等离子体对撞研究成果被应用到“双锥对撞点火”基准靶设计中。
