据中国激光杂志社网，于2024年02月29日报道，根据能量传递方式的不同，激光聚变可分为直接和间接驱动方式。美国国家点火装置（NIF）采用的是间接驱动方案。在直接驱动方案中，能量传递过程涉及激光在稀薄冕区的逆韧制吸收过程，将热电子内能转化为壳层动能的烧蚀过程，以及将壳层动能转化为热斑内能的内爆减速过程。随着热斑压强的逐渐升高，将触发剧烈的氘氚聚变反应，进而释放大量中子和α粒子。当聚变α粒子在热斑中沉积的能量超过了热传导和辐射损失的总和时，热斑会进入一个正反馈的自持点火状态。在这一状态下，驱动产生的燃烧波将迅速点燃剩余的冷燃料[1]。因此，激光聚变的核心目标就是触发这一被称为“点火”的热核不稳定性，以实现聚变反应的持续进行。
为了成功实现激光聚变的点火目标，需要关注并跨越多个关键的时间节点，其中一个尤为重要的是“热斑点火”。为了量化评估这一关键节点，需要引入了Ghs这一重要的无量纲参数，它被定义为聚变能与中心热斑能量的比值。值得一提的是，美国国家点火装置（NIF）曾在2014年取得了重大突破，首次实现了Ghs大于1，即1.9 MJ的激光能量经过多重能量转换，最终使热斑获得了3.5~4.4 kJ的能量，并产生了14.4~17.3 kJ的聚变能，使得Ghs值达到了约4。
最近，来自罗切斯特大学激光能量学实验室C. A. Williams等人[2]在驱动能量仅为28 kJ的OMEGA激光装置上，通过直接驱动方式同样实现了“热斑点火”，即Ghs大于1，这一成果对于直接驱动激光聚变研究具有里程碑意义。它不仅验证了直接驱动方案在较小驱动能量下的可行性，还为未来更大驱动能量下的直接驱动激光聚变研究奠定了坚实的科学基础。
如何量化热斑能量
为了判断热斑增益Ghs，也就是聚变能Ef与中心热斑能量Ehs之间的比值是否大于1，必须分别精确地计算出Ef和Ehs的值。Ef的确定可以通过测量中子产额来实现，因为每次DT聚变过程都会产生一个14 MeV的中子。然而，确定Ehs则更为复杂，因为这是一个没有直接可观测量的值。为了推算Ehs，需要依赖模型对整个空间的热斑压力进行积分。但这里需要特别注意的是，传统的均匀单温模型在这种情况下的准确性是有限的，因此需要更为精细和复杂的模型来进行推算。当内爆速度接近热斑声速时，由于动量守恒，热斑的压力分布变得不再均匀，热斑边缘的压力可能仅为中心压力的50%。此外，由于电子离子达到温度平衡所需的弛豫时间与燃烧时间非常接近，导致了电子与离子温度之间出现了不平衡的现象。因此，在构建热斑模型时，必须考虑一个单调递减而非等压（平坦）的压力分布，并且还需要考虑到电子与离子温度的分离。通过模拟实验，可以得到这两个关键参数的分布函数，而要确定这些参数的具体数值，可以依赖中子和X射线的诊断技术。为了验证热斑模型的准确性，研究人员采用模拟合成的中子和X射线数据对其进行了全面的检验。在模拟过程中，他们考虑了多种不同的靶外径范围（760~1060 μm）、燃料厚度（25~85 μm）以及激光脉冲的变化，从而获得了中心离子温度在3~15 keV范围内并覆盖多个数量级的压力和能量的数据点。如图1所示，通过对比推断模型与模拟结果，可以发现二者在广泛的参数空间中展现出高度的一致性，从而充分证明了该热斑模型的可靠性。
如何评估内爆性能
为评估内爆性能，OMEGA实验利用Lawson参数χ（接近1时表示接近点火条件）来评估其与点火的接近度，具体定义为，其中Y16代表中子产额，Mstag为阻滞燃料质量，ρR为面密度。在流体动力学标度下，靶质量与激光能量成正比。相较于点火所需的兆焦驱动能量和毫克级燃料，OMEGA的30 kJ激光难以达到足够的燃料质量和面密度，导致聚变α粒子几乎全部逃离热斑，严重影响离子温度和产额。因此，当前χ值距离点火条件较远。然而，从实验设计优化的角度，χ也可以被视为聚变能输出与热斑内能的比率，即χ代表Ghs。这一关系可通过模拟确定比例常数，表达为Ef∝Ehs χ。将实验靶规格和激光脉冲数据输入一维辐射流体力学程序LILAC后，模拟内爆结果如图2所示。通过线性拟合，得到Ghs=8.83χ−0.58（Ghs=1时，χ=0.18）。
通过改进设计提高聚变产额
根据Ef∝Ehs χ，提升产额的途径主要有两个：优化χ和提高Ehs。除了减轻低模不对称性和提高辐照均匀性，优化χ还可以通过改进脉冲来实现（如图3c所示）。然而，要使2018年的产额翻倍，继续优化χ所需的能量会大幅增加。因此，提高Ehs，即提高能量吸收的有效性，同样至关重要。
一种提高Ehs的方法是使用大外径靶，这可以减少光束折射，提高吸收份额。但这种方法会增加壳层半径与内爆壳层厚度之比（IFAR）以及靶半径与光束大小之比，导致壳层在内爆中变得不稳定。因此，靶外径的增加不能无限制。另一种方法是向烧蚀层中添加中Z掺杂剂，如硅（Z＝14），以提高离子与电子间的碰撞频率，促进激光能量的吸收。硅的添加不仅可以提高绝对吸收率（例如，5~7%的掺杂可提高10%的绝对吸收），还可以减少双等离子体衰变产生的超热电子，避免壳层过早加热和减压，从而降低面密度和χ。为此，研究人员将烧蚀层设计成双层塑料：碳氢掺杂硅（CHSi）层促进激光吸收和缓解激光-等离子体不稳定性，而氘化碳氢（CD）层保持流体动力学效率。
根据Ef∝Ehs χ，尽管提高产额可以通过提高χ来实现，但降低χ有时也能提高激光到热斑的能量耦合，进而提升聚变产额；这正是薄DT冰内层设计的初衷，旨在提升激光到热斑的能量耦合效率，如图3所示。此外，火箭模型中的有效载荷速度与剩余质量分数呈对数发散，因此薄冰层还能提高壳层内爆速度，达到600 km/s，相较于χ优化设计的500 km/s有了显著提升。
NIF点火成功的关键在于缩短飞行时间，防止壳体过早减压，并优化动能向内能的转换。理想的外壳应像硬活塞一样薄而密，确保在停滞时不会膨胀变得蓬松，从而有效包裹热斑。模拟结果显示，壳层动能向热斑内能的传递效率受IFAR和绝热因子α（壳层压力与费米简并压力之比）的共同影响，如图4a所示。根据拟合结果，传递效率ηhs = 0.0456 × IFAR0.85 × α0.22。传递效率对IFAR的高依赖性也得到了实验验证（如图4b所示），表明高IFAR和高速内层能够向热斑输送最多的能量。然而，实验中由于残余动能作为低模扰动，导致实际传递效率比模拟结果低约15%。
利用模型推断OMEGA已实现“热斑点火”
为了评估“热斑点火”，关键指标是Ef-Ehs图的斜率，且在OMEGA实验中，有超过半数的案例实现了Ghs > 1，如图5所示。在1D模拟中，观察到Ef与EL之间存在1.43次方的正比关系，意味着在无α加热的情况下，随着靶与激光能量的增加，Ehs以线性方式提升（指数为1），而Ef的增长更为显著（指数为1.43）。这是因为随着靶半径的增大，约束时间相应增长，同时热传导损失较小，导致温度也相应升高。球形靶的体积增长速度超过其表面积，因此在大型靶中，热斑热通量对冷外壳的影响减弱。在OMEGA实验中，热斑的加热主要源于压缩。如果热斑在压缩阶段不具备高反应速率，那么聚变产物能量将远小于热斑能量，从而可以忽略不计。由于点火是一个动力学过程，即使在可点火的内爆中，压缩也对产额具有重要影响，因此模型推断已经实现Ghs>1是合理的。
总结与展望
直接驱动与间接驱动是激光聚变的两大主流驱动方式，各有其独特优势。C. A. Williams等人深入研究了热斑的推断模型与热斑增益的计算方法，并详细阐述了如何通过改进实验设计进而将产额翻倍：从原先的～1.6 × 1014跃升至2021年初的3.1 × 1014，实现了聚变能从0.45 kJ到0.88 kJ的显著增长。这一成就标志着亚兆焦级激光器所能产生的聚变放能达到了前所未有的水平。鉴于热斑增益会随着激光能量和靶尺寸的增加而提升，这一研究为在实验室环境下利用直接驱动方式实现燃烧等离子体和点火提供了切实有效的途径，对于未来兆焦级激光器的直接驱动研究具有重要的指导意义。
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。
