编者按：林志立博士，华侨大学信息学院副教授，IEEE高级会员。近年来主要在计算电磁学、新型人工介质材料、激光测速测距技术及其在光学工程、微波工程中的应用等若干科学技术领域从事国际前沿的创新性基础及应用研究。本文是林博士在“e科在线论坛”分享的内容。

一、研究背景及意义

长期以来，能源一直是世界经济发展中的难点问题。能源问题已上升到国家安全战略高度，并演变成敏感的国际政治、经济和外交问题。利用核聚变释放的能量解决能源问题是人类梦寐以求的终极能源解决方案，一旦能实现核聚变商业发电，将从根本上解决人类能源问题，为此从美国国家点火装置（NIF）到国际热核聚变实验堆（ITER）计划，不计其数的科学家和工程师们无不是为这一终极目标而艰辛探索和奋斗着。

相对于核裂变，核聚变具有无放射性、单位质量提供的能量多等优点，更重要的是地球上核聚变物质储量远远多于核裂变物质储量，氘、氚燃料来源极为丰富，地球海水中氘的总质量约4.4×1019g，全部实现核聚变释放的能量1.5×1031J。按人类折合成标准煤年能耗约100亿吨计算，如果利用1%的重水，转换效率为10%，可供人类使用5千万年。因此是解决世界能源危机的有效途径。

核聚变反应，基本原理是通过使氢的同位素结合，产生氦和中子释放巨大能量。核聚变过程的反应式为：

可以看到核聚变是由氘或氚，在一定条件下（如超高温高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。

目前全球科学家们聚焦研究、可能实现可控核聚变的途径主要有两种，即磁约束聚变和惯性约束聚变。前者是通过强磁场较长时间约束高温稀薄等离子体使之发生聚变反应，例如ITER计划。激光惯性约束聚变（Laser Inertial Confiment Fusion,ICF）是利用高功率的脉冲能束均匀照射氘氚核燃料微球靶丸，由靶面物质的消融喷离产生的反冲力使靶内氘氚燃料快速地爆聚至超高密度（约103倍氘氚的液态密度）和热核温度（约10keV），从而点燃和燃烧氘氚核燃料产生高效率释放聚变能的微型热核反应，释放出更为巨大的能量。在惯性约束聚变中，约束由聚变物质的惯性所提供，聚变反应必须在等离子体以高速（约108cm／s）从反应区飞散前的短暂时间(约10-10～10-11s)内完成，所以是一种以短脉冲方式运行的受控核聚变。

惯性约束聚变研究的长远目标是建成聚变电站，探索受控热核新能源；因其能够产生与核武器中心相近的高能量密度状态，所以又有着较近期的军事上的应用目标，这是指在实验室中研究核武器物理并模拟核爆炸效应；

另外，惯性约束聚变形成的高压、高温的物质状态，也能为这些极端条件下的物性研究提供可能。激光产生的高温高密度及等离子体本身就是一个强X光辐射源，它在解决若干重要的基本物理问题中发挥着相当重要的作用。激光惯性约束核聚变是目前人类在实验室创造只有恒星内部才能存在的高温、高压、高密度物质状态的唯一手段。人们可以利用激光产生的类似天体的等离子体，利用实验室已有的诊断手段仔细研究超新星爆发，研究木星的内核结构。人们可研究流体运动及边界相互作用，可以开展极端条件下的高压物理、凝聚态物理研究。

二、国内外研究情况

在国际聚变科研领域，无论是磁约束聚变，还是惯性约束聚变，都是世界各个科技大国暗自角力的战场。当前美国、欧洲、日本、中国、俄罗斯等主要国家都在激光惯性约束聚变及其相关技术领域投入了大量的科研经费和研究人员，在该领域展开了激烈的竞争，其中超大功率和能量的大型激光驱动器是激光惯性约束聚变技术的核心。

早在1952年，人类就已成功地将惯性约束的方式应用于氢弹的热核爆炸；然而，利用激光或带电粒子束照射燃料靶丸而实现惯性约束聚变的建议，是到60年代初激光问世后才提出的。随后，由于调Q脉冲激光器的出现，开始了激光聚变的研究。

1968年，苏联列别捷夫研究所的巴索夫等首次报道从氘化锂平面型靶上获得了中子。直到1972年，美国利弗莫尔国家实验室的纳科尔斯等公开发表了高密度爆聚的理论，重点于是转向多束激光辐照微球靶的高压缩爆聚实验；激光聚变研究的规模也相应有了相当大的扩充。

1992年7月，时任美国总统克林顿宣布美国继续暂停核试验，同时责成能源部探索在不进行地下核试验的情况下确保美国核弹头先进、可靠和保密的其他途径。在此情况下，美国国家点火装置应运而生。该计划自1994年启动，于1997年正式开始工程建设，2009年竣工，并在2010年开始点火试验。整个用于容纳国家点火装置的建筑物长215米，宽120米，相当于三个足球场是目前世界上最大的激光聚变机器。

2013年9月27日，美国劳伦斯·利弗摩尔国家实验室奥马尔·哈利肯(Omar Hurricane)教授与其科研团队在惯性约束核聚变领域取得突破性进展，利用192束高能激光聚焦到氢燃料球上，创造高温高压以点燃核聚变反应。

在试验中，反应释放出的能量超过了氢燃料球吸收的能量，核聚变释放的能量第一次大于燃料吸收的能量，即实现了燃料层面的增益。这是实现惯性约束核聚变取得的关键性一步，极大地鼓舞了世界范围内研究激光惯性约束聚变研究的科研人员。

美国国家点火装置建筑布局鸟瞰图

美国国家点火装置靶球和终端光学组件

美国国家点火装置的靶室

美国国家点火装置的靶球

美国NIF装置首次获得靶丸层面大于1的燃料增益

上世纪80年代，中国工程物理研究院与中科院通过科研合作，共同组建了惯性约束聚变研究团队，并成立了国内第一个惯性约束聚变专业实验室，开展理论、实验、诊断、制靶、驱动器“五位一体”实验。

1985年该项研究迎来重大成果，我国首台实现两路光源、千焦耳级出光，并可用于激光约束聚变科研的大功率激光器在中物院诞生，张爱萍将军曾亲自为它命名为“神光”。这就是目前我国神光-Ⅰ、神光-Ⅱ、神光-Ⅲ系列名称的来源。

2015年9月，由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承担研制的神光－Ⅲ主机装置成功完成了48束激光三倍频180kJ／3ns、峰值功率60TW的输出测试实验，标志着神光－Ⅲ主机装置已全面建成并达到设计指标，成为现有输出能力世界排名第二、亚洲排名第一的惯性约束聚变激光驱动器。神光－Ⅲ主机装置可输出48束阵列化的大口径高功率脉冲激光（分为6个束组，每个束组为一个4*2的光束阵列），主要由前端、预放、主放、测量与光束控制、靶场、计算机集中控制等六大系统组成。神光－Ⅲ主机装置的研制，凝集了我国在光学、激光、脉冲功率、精密机械、快电子学、自动控制、化学清洗、超精密加工等多个学科领域的顶尖技术成就，堪称中国光学工程界的奇迹。

神光－Ⅲ主机装置总体布局图

神光－Ⅲ主机装置靶球和终端光学组件

目前，国内主要有中国工程物理研究院、上海光学精密机械研究所、北京应用物理与计算数学研究所、中国科学院物理研究所等科研机构，以及北京大学、清华大学、浙江大学、上海交通大学、国防科技大学、华中科技大学、华侨大学以及其他部分高校目前正在开展激光惯性约束聚变理论和技术方面的研究。经过中国科学家和工程师们几十年如一日的不懈努力，在理论和技术上攻克了诸多难题，主要表现在高功率激光驱动器技术、关键元器件的工程研制技术、激光与等离子体相互作用的复杂机理、数值仿真技术等方面。

三、课题组研究情况

华侨大学激光等离子体研究组依托“光传输与变换”福建省重点实验室硬件平台和“光学工程”福建省重点学科人才平台开展研究工作，开展了激光束整形与变换、激光调制和光学微操控、强激光与物质作用、量子信息光学等领域的研究工作，获得不少具有创新性的研究成果。研究成果发表在Optics Letters,Optics Express, IEEE TAP, IEEE PTL, Phys. Rev. A, Phys. Rev. E, IEEE J. Quantum Electronics，JLT, New J. Physics等国际著名光学类和电子类期刊上。

随着中国激光惯性约束核聚变事业的不断推进，项目组积极参与服务国家重大战略需求，主动把制约点火成功的关键点之一的激光束对靶腔辐照特性及激光与等离子体相互作用及其数值仿真技术等领域作为了项目组目前最重要的研究方向。近年来，在国家重大科技专项课题、福建省杰出青年科学基金等科技项目的资助下，对激光束在理想及非理想条件下聚焦光斑在靶腔壁上的强度投影分布、光束并束特性在腔靶环上的强度分布、激光束等靶腔等离子体中改的传输特性等方面开展了一系列研究工作，开展了相关的理论分析、数值模拟和初步实验研究。

在靶腔内激光束的辐照特性、激光等离子体相互作用等方面研究取得了初步成果，主要体现在：

1、已开展了单入射激光束在理想及非理想条件下，聚焦光斑在靶腔壁上强度投影分布研究。利用扩展的衍射积分公式建立了理想的理论分析模型，研究了单光束激光入射条件下，入射角度、离焦量对平顶光束入射靶腔壁上光斑分布情况，研究了“缺陷”的中心位置对入射平顶高斯光束打靶在腔壁上的光斑分布的影响。

入射角对平顶光束入射靶腔壁上光斑分布的影响

离焦量对平顶光束入射靶腔壁上光斑分布的影响

不同尺寸大小带缺陷平顶光束对在靶腔壁上光强分布的影响

2、开展了多光束并束特性在靶腔内在腔壁上的光强辐照特性研究。以入射光束坐标（X，Y，Z）和与腔壁所在的坐标（X′，Y′，Z′）间的三维坐标转换关系，获取了激光惯性约束聚变设施采用的48束光束以多角度入射黑靶腔在靶腔内部和靶腔壁上的光强三维空间分布，研究中还考虑了光束交错角、离焦量等参数对腔内光强分布的影响，以及中心圆线上的光强变化曲线。

48束激光入射在靶腔内和腔壁上的光强空间分布

3、基于时域有限差分方法仿真技术，研究了不同入射角情况下激光束在靶腔内的非均匀等离子体中的传输特性的仿真研究，并获取了S偏振和P偏振激光束入射情况下的数值仿真结果。

 最后，希望在国家大力经费支持下，经过几代科学家和工程师的不懈努力，中国能在核聚变能技术竞赛中脱颖而出，早日建成核聚变能演示反应堆及发电厂！

参考资料：

1. 百度百科，词条“惯性约束聚变”

2. 盛利，“人造太阳”追梦之旅：中国神光3主机基本建成，《科技日报》，2015年8月。

3. 美国核聚变国家点火装置（NIF）首次实现输出能量超出输入能量，http://www.guancha.cn/Science/2013_10_08_176993.shtml。

4. Hurricane, O.A. Callahan D.A., Casey D.T. et al. Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion.Nature506, 343-348 (2014).

5. 郑万国，魏晓峰，朱启华等，神光-III主机装置成功实现60TW_180kJ三倍频激光输出，强激光与粒子束，28（1），019901，2016年1月。

如若转载，请注明e科网。

如果你有好文章想发表or科研成果想展示推广，可以联系我们或免费注册拥有自己的主页