双锥对撞聚变点火方案
众所周知，可控热核聚变是解决目前能源危机最有效、最清洁、最安全的途径。自20世纪激光诞生后，利用激光驱动的惯性约束聚变就成为实现可控核聚变的主要途径之一。历经多年的研究和发展，各国科学家提出并实践了各种点火方案。但截止目前，高增益的聚变点火仍未实现。
我国张杰院士及其团队提出的双锥对撞点火方案（Double-cone ignition scheme，DCI）从原理上提高了激光能量到燃料内能的转换效率，有望利用较低的驱动激光能量实现高聚变能量增益。该方案包含四个步骤：首先，激光对称地压缩放置于两侧金锥中的燃料；之后，在激光驱动和金锥约束下燃料被加速到百公里每秒从锥口喷出；然后，对向运动的两部分燃料在锥顶处发生对撞形成等容分布的高温高密等离子体；最后，利用超强激光产生“快电子”对燃料进一步加热使其达到发生聚变所需要的条件。
双锥对撞方案中的快速加热
过去的实验中，团队已经完成了对前三个步骤的验证，产生了数十倍固体密度、面密度达～100 mg/cm2、温度为350 eV左右的对撞等离子体。在此基础上，研究人员在上海光机所神光II升级装置上开展了第八轮DCI综合实验，对方案的最后一步加以验证。实验成功利用一束强度高达I λ2=7.7×1018 W∙μm2∙cm-2的皮秒拍瓦激光对预压缩燃料进一步加热，实现了燃料温度的大幅提高，向聚变点火的目标迈出了坚实的一步。
成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第4期的文章(Yu Dai, Haochen Gu, Ke Fang, Yihang Zhang, Chenglong Zhang, Yufeng Dong, Zhe Zhang, Xiaohui Yuan, Yutong Li, Jie Zhang, "Diagnosing the fast-heating process of the double-cone ignition scheme with X-ray spectroscopy," High Power Laser Sci. Eng. 12, 04000e50 (2024))。
图1展示了实验的用靶、激光排布以及诊断设备，其中右上角为实验用靶的剖面图、紫色光束和红色光束分别为驱动激光和加热激光、右下角标示分幅相机和X光光谱仪的观察视角。此次实验所用的球壳（燃料）为C8H14Cl2。用以驱动燃料内爆的激光共8束，激光波长0.35 μm，总能量14 kJ，持续时间4.7 ns。加热激光的能量为500 J，持续时间10 ps。当锥口喷出的燃料发生对撞并达到最大密度时，加热激光被注入到紧贴燃料放置的金平面上产生相对论强度的电子束流对燃料进行快速加热。实验设置了一台分幅相机和一台X射线光谱仪对燃料的对撞和加热过程进行诊断。
图1 双锥对撞实验示意图
实验分别在有加热激光注入和没有加热激光注入的条件下对对撞燃料进行了观测，图2展示了两种情况下分幅相机得到的燃料自发光随时间的演化结果。其中，时间零点为驱动激光开始的时刻。从图2（i）中可以看到，加热激光注入后，在对撞燃料左侧金平面靶前产生了新的自发光区域，那是加热激光与金平面作用产生的自发光。对于对撞燃料而言，有加热激光注入时其自发光增强了30%，暗示了燃料温度有所提升。这一点从X光光谱仪的结果可以得到进一步验证。图3是对自发光光谱的测量，摄谱范围为2.66~2.85 keV包含Cl元素的特征谱线。显然，在激光的加热下原本辐射较少的Cl元素也开始发射特征谱线。根据特征谱线的峰值强度比（w/jkl）可以推断出加热之后燃料的温度上升到600（±50）eV。
图2 分幅相机得到的对撞燃料自发光结果。（a）~（d）对应没有加热激光注入；（e）~（h）为有加热激光注入。（i）是在（f）的基础上标示了金锥，金平面和加热激光的方位
图3 X光光谱仪的测量结果。（a）中红色虚线框内对应燃料对撞的位置，左侧小图展示了没有加热激光的情况。（b）展示了两种情况下对撞燃料自发光在2.70~2.85 keV下的自发光光谱
总结与展望
该结果表明超强激光的引入可以有效地对高密度燃料进行加热，标志着DCI方案已经完成了四个步骤的完整验证，燃料所能达到的状态正一步步接近聚变点火的目标。未来计划在更高的激光能量和采用实际发生聚变所用的燃料以更接近点火的条件下开展实验，对聚变的能量产额进行直接测量。
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