激光直接驱动聚变点火
聚变能源是人类社会长期追求的未来可持续发展的终极能源，激光驱动的惯性约束聚变是实现这一梦想的重要候选路径，也是目前国际上聚变级激光装置上最重要的研究课题。其中直接驱动方案是利用激光烧蚀产生的超高压强，对靶丸进行压缩、加速，最终在中心达到点火条件，实现聚变点火。
对于点火需要的高压、高密、高温等极端条件的实验研究和探索，不仅对于聚变本身具有重要意义，对天体物理、材料物理以及国防等领域也具有重要价值。如何高效地、稳定地产生聚变反应所需要的极端条件，是当前激光聚变研究的热点和难点。双锥对撞点火方案（Double Cone Ignition, DCI）为解决这一难题提供了新的思路，即将实现聚变所需要的压缩与加热这两个过程进行解耦：首先利用等熵压缩，实现靶的高密状态；随后对靶做进一步的压缩的同时进行加速，从而产生对撞需要的高密度、高速度喷流；最后利用双喷流对撞产生高密度等离子体，并结合超强磁场引导的超热电子加热，在对撞中心实现点火。
直接观察球壳靶的压缩和加速
近日，中国科学院国家天文台、上海交通大学、中国科学院物理研究所、国防科技大学等单位组成的双锥对撞联合研究团队在上海神光二号升级高功率激光装置上，开展了双锥对撞点火实验，利用双斜角波实现了对金锥内球壳靶的近等熵压缩和加速，获得了密度高达15 g/cm3 和速度超过百公里每秒的喷流。利用前期在上海神光二号升级装置上搭建的一套紧凑型的任意反射面速度干涉仪（Velocity Interferometry System for Any Reflector, VISAR）与高温辐射计（Streak Optical Pyrometer, SOP），对球壳靶的压缩和加速过程进行了诊断，实验结果与流体力学模拟结果相符合。
成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第4期的文章(Huigang Wei, Dawei Yuan, Shaojun Wang, Ye Cui, Xiaohu Yang, Yanyun Ma, Zhe Zhang, Xiaohui Yuan, Jiayong Zhong, Neng Hua, Yutong Li, Jianqiang Zhu, Gang Zhao, Jie Zhang, "Compression and acceleration processes of spherical shells in gold cones," High Power Laser Sci. Eng. 12, 04000e43 (2024))。
本实验布局如图１（a）所示，四路激光叠加烧蚀CHCl球壳靶，探针光穿过金锥下面的小孔照射到球壳靶内表面，然后被靶内激波面反射回VISAR系统，同时利用SOP测量的靶的自发光辐射。实验典型结果如图1（b）和（c）所示，VISAR结果可以看出，在第一个斜角波作用时，条纹连续，没有间断或跳变，同时SOP信号也几乎只有背景强度，表明此过程为近等熵压缩。图2展示了流体力学模拟结果，与VISAR测量的激波到达时刻是一致的，同时根据SOP测量结果给出的喷流速度、自发光强度等与流体力学模拟给出的结果也是一致的。
图1 实验布局和实验结果图（a）双斜角波激光脉冲的设计和实际波形；实验布局示意图；（b）VISAR实验测量结果；（c）SOP实验测量结果
图2 CHCl球壳内密度分布的时间演化图
总结与展望
DCI研究团队在神光二号升级装置上，成功对双斜角波压缩下的球壳靶的压缩和加速过程进行了诊断和模拟。团队正在进行驱动波形的优化设计，将进一步提高压缩和加速效率，产生更高密度和更高速度的喷流，以期在不久的将来实现对撞点火。
3.强强联手：机器学习“携手”双锥对撞点火，助力激光波形优化
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