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张攀政 · 中国科学院上海光学精密机械研究所研究员
格致论道第112期｜2023年6月1日 北京
大家好，我是张攀政，来自中国科学院上海光学精密机械研究所的一名科研人员。我今天想向大家分享的题目是《激光聚变：点亮人类的未来》。说到激光聚变，尤其说到聚变，大家的第一反应就是它离我们的生活特别遥远。但实际上，它离我们很近。我们吃的每一顿饭，穿的每件衣服，甚至是我们每一次心跳、每一次呼吸，都和它有着非常重要的联系。那么，是谁建立了我们和聚变之间的不可分割的联系呢？是太阳。太阳就这样，每天日出日落，40多亿年，一刻不停地向宇宙辐射着能量。我们地球上接受到的能量，只是它辐射能量的20亿分之一。也正是这20亿分之一，为我们地球上所有的生命运动和生产提供能量来源。那么，太阳为什么能够拥有如此巨大、如此持久的能源呢？这要去问太阳自己。太阳质量是地球的33万倍，主要由氢气和氦气组成。由于具有非常大的重力作用，所以它的核心部分温度可以达到1500万度，气压可以达到2000亿个大气压。在这样的高温、高压条件下，氢的两个同位素——氘和氚，会发生聚变反应，即一个氘原子和一个氚原子发生聚变，变成一个氦原子，同时释放出巨大的能量。就是这样的核聚变，40亿年一刻不停地进行着。前面提到，我们地球上接收到的太阳能量其实是非常有限的。而在今天，我们人类正在通过使用化石能源，消耗着太阳沉淀在地球上储存的能量。那我们能否在地球上通过模拟太阳上的聚变，自己来发电呢？要想回答这个问题，我们首先要在地球上找到核聚变的原材料，就是刚才所说的氢的两个同位素，氘和氚。地球上有没有？在哪里？答案是在大海里。我们地球表面的71%被水覆盖，其中96.5%是海水。海水中一共含有10万亿吨氘氚材料。如果我们把1升海水中的氘氚提炼出来，让他们完全发生聚变，它所释放出的能量，相当于300升汽油。我们做一个简单的计算题，如果我们把海水中的全部氘氚提炼出来，然后让它去发生核聚变，它释放出的能量，相当于多少升汽油呢？答案是372后边又跟了19个0。这么多的汽油可以供我们人类用多长时间呢？答案是几十亿年。我们有了氘氚原料，是否核聚变就很快能发生呢？答案当然是否定的。氘和氚它们原子核之间存在着非常强大的势垒，要想让它们聚变，必须要在非常高温、非常高压的，以及有足够约束时间的、非常复杂的极端条件下进行，这些条件在自然界中只有恒星的内部才有。这也就是为什么同样有氘氚元素，太阳中心可以发生聚变，但在大海中却没有发生的原因。▲左：激光聚变
右：磁约束聚变
我们要想在地球上实现可控的核聚变，只能通过特殊的技术手段。有两种方式，一个是激光聚变，一个是磁约束聚变。由于激光聚变具有更高的可控性，同时它的作用过程和某种非常强大的武器的原理是极其相似的，所以说开展激光聚变研究对提高我们国家的国防战略安全有着重要的意义，因此它被称为新时期的“两弹一星”。我们用激光来实现聚变需要什么样的条件呢？需要氘氚的温度要达到5000万度以上，同时密度要达到太阳中心的密度，并且压强要达到10000亿个大气压。您可能会不觉地问，5000万度到底有多热？对不起，我没办法回答您。但是我可以告诉您，1000度可以熔化铜，1500度可以熔化铁，3500度就可以熔化我们地球上最难熔化的金属钨。至于5000万度有多热，只能靠各位自己去想象。您可能还会问，压强10000亿个大气压是什么感觉？我也没办法直接回答您，但我可以告诉您的是，高度632米，一共132层，位居世界第三高的上海中心大厦，它对地表的平均压强只有18个大气压。至于10000亿个大气压是什么感觉，也要依靠大家自己想象。为什么选择激光呢？为什么要用激光来创造核聚变的环境？这是因为激光自身的特性。它有一些特点，就和我们的人民军队一样步伐一致，走路整齐，服从命令，向着共同的目标进发。那么就会产生什么？产生非常强大的合力，叫战斗力。我们称激光的这几个特点叫单色性、相干性、方向性、高亮度。正因为激光有了这些特性，所以它们能够在几亿分之一秒内将几百万焦耳能量聚焦到千分之一个小米粒大小的体积里边，从而产生激光聚变的条件。原材料有了，激光有了，那激光聚变怎么发生的呢？首先，我们要做一个靶丸，这个靶丸是毫米量级的。靶丸的外边是固体材料，里边存有氘氚气体。▲左：压缩
中：点火
右：自持燃烧
接下来，把激光从四面八方均匀地辐射到靶丸上边，靶丸表面的材料就会烧蚀，烧蚀的材料向外喷射，同时产生向心的反冲力。这个反冲力导致靶丸内部的氘氚气体被不断地向着靶丸的中心压缩、加热。当它的温度和压力达到点火的条件的时候，中心材料就实现了激光核聚变，释放出大量的能量，从而再引发它周边材料发生聚变。如此反复，直到整个靶丸的氘氚材料消耗掉。这个视频非常好地展示激光聚变发生的高光时刻。激光辐照靶丸，辐照完了以后，靶丸表面的材料被烧蚀，往外喷射，中心部位被压缩、加热，于是激光聚变发生了，放射出巨大的能量。我们形象地称它为“人类小太阳”。我估计“太阳公公”听了也很懵圈，因为这可能是它40亿年来第一次看到自己小时候的样子。当然，“太阳公公”也不知道它自己其实没有小时候。▲左：理想情况
右：现实情况
通过这个视频，大家是不是觉得激光聚变很简单，很顺滑？就用激光那么一照，一切的美好就发生了。然而，现实情况是什么样的呢？我们希望理想中的靶丸压缩很均匀，很光滑。但是由于温度太高了，压力也太高了，任何的不完美在这里边都会被极度地放大，产生这种毛刺。这种不完美就像蛋壳碎了，蛋黄往外流一样，会导致激光的能量急剧的流失，让激光能量的利用率只有不到1%。那么我们该怎么做呢？30个字：提升激光能量、提升控制精度、提升靶丸质量、加强理论理解、优化设计方案。30个字，我说的也很快，也很溜，但是我们真的如果想做到这30个字，难吗？很难。▲美国国家点火装置（NIF）
美国人从提出激光聚变，到实现激光聚变，一共用了50年，耗资100亿美元，动用了将近10万人，就是为了这30个字。就拿激光能量来讲，它也是历时了13年，耗资40亿美元，才建成了这样一台能量勉强够用的激光装置。但它已经有多大了呢？它有192路，200万焦。法国人也想做这么一台类似的装置，他们折腾了21年了，到现在都没有完全建成。俄罗斯人也想建，他们也折腾了10年了，但只建成了1/3。确保3000亿分之一秒的精确我们有了原材料，有了足够大的激光装置，是不是激光聚变就容易实现了呢？当然不是，因为除了装置本身，还有很多物理上的最复杂的问题，等待我们去解决。这就是为什么美国点火装置建成了以后，又用了整整14年的时间才实现了激光聚变点实验。当然，他们遇到的困难，遇到的问题，也是我们全世界激光聚变研究的科学家们都遇到的。就拿激光控制来说，为了实现靶丸非常对称的、非常均匀的压缩，我们有时候需要让靶丸压缩得慢一点，有时候需要让它压缩得快一点。而靶丸压缩的快慢是和激光打到它上边的功率有关系的，所以我们就需要精确地控制每一束激光的功率随着时间的变化关系，也就是脉冲的形状。它的控制精度、时间分辨率要求多少呢？是300亿分之一秒。有了相同的时间波形，还要求每一束激光同时打到靶丸上。这个精度是多少？是3000亿分之一秒。我们控制了时间波形、控制了到达的时间，还要控制能量。我们需要对激光的放大过程进行精确的控制，来保证每束激光有相同的能量。300万分之一秒，对我们大家日常来讲，它是一瞬间的一瞬间的一瞬间。但对于激光来说，在300万分之一秒内，它已经完成了全部的放大过程。放大倍数是多少呢？1000万亿倍。就在这么短的时间内，为了让激光有非常稳定的输出，我们的科学家需要用到特殊的设备，完成一系列的动作，和激光有多次的对话，向它发出多次的命令，才能够让它保持在我们原来给它设计好的放大路线上走。有了相同的时间、相同的时间波形、相同的能量，接下来激光再经过300米的传输放大以后，它还需要精确地落在靶丸上那个给它提前设计好的位置。这个精度是多少？30个微米，相当于我们头发丝的半径，相当于一个人站在北京天坛去瞄准几百公里以外的位于济南泉城广场上的一枚硬币一样。前面我讲了几个激光器非常关键的参数的控制。控制成什么样子是最好的？这个需要我们的物理学家来回答。物理学家要想回答这个问题，他首先要深刻地理解激光聚变的物理过程。那么，想理解它，我们先要看到它。可是，靶丸压缩的时候它的密度是非常高的，我们普通的手段、普通的光线根本没办法去穿透这个靶丸。所以，我们需要高能量的质子束来对整个压缩过程拍照。为了得到高能量的质子束，我们就需要一束皮秒拍瓦激光打在金属的薄片靶上，在靶后产生我们想要的质子，再用质子去对我们的聚变过程、压缩过程拍照。为了能够得到具有高分辨率的照片，也对这个激光提出了非常高的要求。它的脉宽要求1皮秒，1皮秒就是1万亿分之一秒。它的峰值功率要多少？10的15次方瓦，就是1000万亿瓦。这些功率相当于我们国家2024年公布的全国发电总功率的300倍。信噪比10的8次方，这个比例相当于樱桃和月球的大小。激光聚焦到这个平面靶上，它的聚焦功率密度要达到多少呢？10的20次方瓦/平方厘米。这又是一个什么概念？这相当于把太阳辐射到地球上的全部功率聚焦到0.1平方毫米面积上所产生的强度。我举的这些激光聚变路上的困难，还只是其中的冰山一角。为了解决上述的种种问题，世界上各个科技强国都投入了大量的人员、经费和时间，包括我前面提到的美国、法国，还有俄罗斯，以及我没有提到的英国、日本，当然还有我们中国。我们中国的核聚变要起源于1964年。当时王淦昌先生提出用激光打靶来实现中子的这样一个设想。也是在1964年，我所在的单位，专门研究激光的中国科学院上海光机所正式成立了，我们国家的激光事业就在一穷二白中起步了。▲左：王淦昌院士
右：王大珩院士
“中国光学之父”王大珩先生任上海光机所第一任所长，他带领团队开始了从材料到加工、到镀膜、到激光物理、到系统工程的一系列的技术攻关，我们中国才逐渐地有了大型激光器的系统性研制技术。这两位王先生非常厉害，都是中国科学院院士，都是“两弹一星”勋章的获得者。1986年，这二老一合计，我们联合成立一个专门研究激光聚变的实验室吧。于是在国家的支持下，高功率激光物理联合实验室就成立了，也就是我今天正在工作的实验室。1987年，神光I装置建成，我们国家开始有了自己的大型激光器。2001年，神光II装置建成了，我们用激光打出了中子。2016年，纳秒万焦耳激光、皮秒拍瓦激光建成了，我们有了世界独特的激光聚变研究的实验平台。这台装置占地5000平米，它规模上没有美国的点火装置大，但是从技术先进性上是可以和美国的点火装置比肩的。这就说明了，我们国家已经具备了体系化的聚变级激光驱动器的研制能力和技术。什么叫体系化？就是具备从材料到元件，从关键设备到系统总体的这样一个全方位、全过程、全链条的体系。举一个例子，就拿激光器里边最核心的材料钕玻璃来讲，上海光机所就有这么一个实验室。这个实验室几十位科学家，三代人，就专门专注于这一件事——做激光钕玻璃。正是有了他们的坚持、他们的专注，我们国家的钕玻璃才能够从无到有，从有到精，再到了今天的国际先进。材料有了，还需要把它们加工成我们需要的形状，这对加工精度也提出了非常高的要求。这个元件将近1米长，但它要求元件的表面起伏要控制在百纳米量级。这就相当于整个首都机场的地面起伏不能够超出5毫米一样。有些元件在加工好了以后，它还要镀膜。大家不要小看这个只有几十层，总厚度只有几个微米的薄薄的光学薄膜，它可以决定激光到达这个元件以后是反射还是透射。当然，要达到这些效果，对这个薄膜也提出了非常高的要求。我们的单层膜厚控制精度多少？是2纳米。这就相当于一个航班从上海飞向北京，整个飞行过程中飞机的颠簸不能超过2毫米一样。我2011年博士毕业后就留在上海光机所工作，如今已经工作了13年。这13年里，我只做了一件事，那就是研制大型的高功率激光装置。这张照片是神光II的总设计师、激光物理科学家林尊琪院士，他也是我的博士生导师。他的一辈子心里只有工作，只有他的学生，从来没有他自己。他2018年因病逝世，享年76岁。在病重期间，他写下最后一篇日记中说：“油灯已经接近耗尽，但我的任务尚未完成。我必须有信心，做自己应该承担的任务，绝不能消极对待，直到最后一刻。”这是先生对他自己一生的诠释，也是向我们后辈传递了一种信念和力量。我相信有了这种信念，有了这个力量，大家在不久的将来，在我们的中国的大地上，一定会看到激光聚变点火的成功。- END -
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