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可控核聚變的難點(diǎn)

路線的不同使得可控核聚變不同路線在設(shè)計(jì)制造上的難點(diǎn)既有共性也有特性。僅就共性而言，所有可控核聚變路線和裝置都面臨一個(gè)問題，那就是第一壁材料應(yīng)該如何選擇。由于可控核聚變本身必然產(chǎn)生大量核輻射，而長時(shí)間的核輻射會對主體結(jié)構(gòu)造成不可逆的破壞。為了減少乃至解決這一問題，可控核聚變都需要在主體結(jié)構(gòu)（包括內(nèi)壁）與核反應(yīng)區(qū)之間設(shè)置一層用于減弱或屏蔽輻射的結(jié)構(gòu)，也就是所謂第一壁。

第一壁是包圍等離子體或聚變靶腔的最內(nèi)層材料，它將在反應(yīng)過程中首先承受聚變產(chǎn)物（主要是高能中子、X射線、α粒子等）轟擊和加熱。這意味著第一壁材料需要具備耐高溫、抗輻照等性能。

一般來說，第一壁有幾種潛在可行的技術(shù)路線：高熔點(diǎn)金屬（如鎢、鉬、鉻鋼）：抗高溫、抗輻照能力強(qiáng)，表面可涂覆納米陶瓷層等材料以抵抗X射線。低活化合金、陶瓷復(fù)合材料：減緩中子活化、便于廢料管理。流動(dòng)液態(tài)壁技術(shù)（如液態(tài)鋰）：可部分自修復(fù)損傷、帶走表面能量，減小固體材料疲勞。多層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：以兼顧/實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、輻射防護(hù)等多種功能。

雖然筆者尚不清楚不同技術(shù)路線對第一壁材料的具體偏好，但這是所有可控核聚變路線必須考慮的問題。

除了第一壁材料，每種可控核聚變路線都有自己的難點(diǎn)。以托卡馬克為例，超高溫等離子體內(nèi)部的密度、溫度、流速、組分在空間和時(shí)間上高度非均勻，這使得等離子體本身的不穩(wěn)定會在外部磁場等作用下被進(jìn)一步放大（出現(xiàn)如撕裂模、鎖模、鋸齒振蕩、邊界局域模等問題），導(dǎo)致磁場結(jié)構(gòu)、能量和粒子約束能力突變，甚至直接引發(fā)“等離子體破裂”。

而這一問題與其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)直接相關(guān)：極向磁場需靠外部線圈進(jìn)行形狀控制和補(bǔ)償?？梢哉f，這個(gè)問題是從娘胎里帶出來的。正因如此，等離子體控制成為限制托卡馬克裝置商業(yè)化的重要技術(shù)難點(diǎn)，也促使人們探索無需大電流驅(qū)動(dòng)的仿星器路線。

但是仿星器的優(yōu)勢也是其劣勢所在。相比于幾何構(gòu)型相對簡單的托卡馬克裝置，仿星器磁場必須依靠高度非軸對稱、復(fù)雜三維扭曲的外部線圈精確生成，設(shè)計(jì)計(jì)算極其復(fù)雜，對幾何精度和制造誤差極為敏感。

而且仿星器線圈體積龐大，形狀各異，關(guān)鍵部位裝配和定位精度要求達(dá)到毫米甚至微米級，否則磁面容易破壞，等離子體約束急劇惡化。此外由于完全靠內(nèi)部等離子體形成極向磁場，對于等離子體內(nèi)部的自舉電流控制、雜質(zhì)抑制和邊界等離子體控制都有更高要求。

這使得仿星器現(xiàn)在不僅造價(jià)高昂，還在聚變?nèi)朔e等關(guān)鍵工程參數(shù)上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于托卡馬克裝置，在進(jìn)度上落后于托卡馬克裝置路線。

而在慣性約束上，激光可控核聚變和Z-箍縮也有各自獨(dú)特的難點(diǎn)。

拋開持續(xù)輻射損傷不談，激光可控聚變的難點(diǎn)集中在激光與靶丸本身。眾所周知，要實(shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)電，激光點(diǎn)火裝置就需要高頻高精度持續(xù)對靶丸進(jìn)行點(diǎn)火，即使不考慮核輻射對相關(guān)器件的破壞力，單單實(shí)現(xiàn)幾秒一次，甚至每秒幾次對靶丸進(jìn)行間斷照射就是一個(gè)巨大的難題。

而且激光照射不僅涉及大功率照射問題，還涉及能量耦合與驅(qū)動(dòng)效率問題。激光可控核聚變每次脈沖激光能量在兆焦耳量級，并分配到復(fù)數(shù)束激光進(jìn)行同步照射，其中美國的NIF設(shè)計(jì)采用192束激光驅(qū)動(dòng)，而中國神光三號實(shí)驗(yàn)裝置采用了48束激光。

同時(shí)，需要說明的是，激光點(diǎn)火有三種驅(qū)動(dòng)模式，直接驅(qū)動(dòng)、間接驅(qū)動(dòng)和混合驅(qū)動(dòng)。在直接驅(qū)動(dòng)激光聚變中，驅(qū)動(dòng)靶丸內(nèi)爆的源是激光。為一定程度上規(guī)避激光-等離子體相互作用的不利影響，驅(qū)動(dòng)激光的強(qiáng)度要求控制在I=10^15 W/cm^2左右，光壓為0.3×10^6個(gè)大氣壓。

激光直接驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變示意圖 圖片來源：“淺談激光聚變”

在間接驅(qū)動(dòng)激光聚變中，驅(qū)動(dòng)靶丸內(nèi)爆的源是由激光轉(zhuǎn)換而來的X光，X光場的溫度在300eV左右，輻射壓為0.37×10^6大氣壓。光壓或輻射壓與聚變點(diǎn)火需要的氘氚等離子體壓強(qiáng)相差很大，需要增壓。

激光聚變間接驅(qū)動(dòng)方式示意圖 圖片來源：“淺談激光聚變”

而在混合驅(qū)動(dòng)中，科學(xué)家會先用X光驅(qū)動(dòng)靶丸，然后在X光驅(qū)動(dòng)源主脈沖階段疊加激光脈沖，以提高驅(qū)動(dòng)壓強(qiáng)，達(dá)到改善內(nèi)爆性能的目的。

混合驅(qū)動(dòng)激光聚變示意圖 圖片來源：“淺談激光聚變”

三種路線中，直接驅(qū)動(dòng)模式對于激光要求太高，因此以美國激光核聚變裝置為代表的可控核聚變路線主要采用的是間接驅(qū)動(dòng)模式（而且這對于很多國家來說可能更熟悉）。近年來，我國也在推進(jìn)圍繞混合驅(qū)動(dòng)涉及的關(guān)鍵物理過程實(shí)驗(yàn)。根據(jù)一些論文透露的信息，我國應(yīng)當(dāng)已經(jīng)基于神光激光裝置開展了混合驅(qū)動(dòng)激光聚變的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在混合增壓效應(yīng)等領(lǐng)域的研究已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)的定性支持。

回到現(xiàn)階段的激光可控核聚變上，2022年12月13日，美國能源部宣布2022年12月5日NIF裝置物理實(shí)驗(yàn)聚變放能大于驅(qū)動(dòng)激光能量，實(shí)現(xiàn)熱核聚變點(diǎn)火。此后，又有NIF裝置的三次物理實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了聚變放能大于驅(qū)動(dòng)激光能量。不少人對于此次可控核聚變實(shí)驗(yàn)有一定誤讀，認(rèn)為是整體輸入能量小于整體輸出（Q>1），實(shí)則不然。

以2022年12月5日聚變點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)為例，其物理結(jié)果是聚變放能3.15±0.16MJ，對應(yīng)聚變中子數(shù)（聚變發(fā)生的次數(shù)）為1.1×10^18個(gè)，也就是發(fā)生聚變的氘氚質(zhì)量為9μg（假定氘氚的核子數(shù)比1:1）。實(shí)驗(yàn)初始氘氚裝量是0.22mg，則氘氚燃耗是4.1%左右。1公斤TNT炸藥的放能為4.19MJ，聚變放能3.15MJ相當(dāng)于750克TNT炸藥的放能。只能說其釋放能量大于單次驅(qū)動(dòng)的激光能量，但遠(yuǎn)小于整個(gè)系統(tǒng)的消耗電能。

說回到激光核聚變的難點(diǎn)本身，也就是靶丸制造上。而用于點(diǎn)火的靶丸分為三層，其中燒蝕層位于最外層，傳統(tǒng)上由碳?xì)浠衔飿?gòu)成，作用是當(dāng)激光照射時(shí)，外層材料迅速氣化并向外膨脹，產(chǎn)生反沖力推動(dòng)內(nèi)層向內(nèi)壓縮。燃料層位于燒蝕層內(nèi)，包含固態(tài)的氘氚冰，是聚變反應(yīng)的燃料。中心填充氣體在靶丸內(nèi)部，通常填充有氣態(tài)的氘氚燃料，為聚變反應(yīng)提供初始燃料。而在靶丸外部還有一個(gè)專門的黑腔用于注入氦氣以及提供間接驅(qū)動(dòng)所需的X光。

激光點(diǎn)火靶丸示意圖圖片來源：“淺談激光聚變”

美國人公布的2022年激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)靶丸示意圖 圖片來源： "Achievement of target gain larger than unity in an inertial fusion experiment"

根據(jù)美方公布的論文和圖片，2022年12月引發(fā)世界關(guān)注的實(shí)驗(yàn)中的靶丸相比于早年的設(shè)計(jì)又有所改進(jìn)，四次實(shí)驗(yàn)的靶丸外部采用貧鈾鍍金的圓柱形黑腔封裝；圓柱形黑腔的中心放置裝填有氘氚的靶丸，靶丸由外向里的結(jié)構(gòu)為：微晶金剛石組成的高密度碳、氘氚冰和氘氚氣體。

但無論怎么改進(jìn)，激光可控核聚變有兩個(gè)天然難點(diǎn)。第一個(gè)是激光能量通過等離子體與燃料靶丸的實(shí)際耦合效率較低，大量能量損耗在外部等離子體、X射線預(yù)熱等過程中，難以充分傳遞到燃料核心。根據(jù)《物理》2024年第5期上刊登的“淺談激光聚變”一文測算：“靶丸吸收的X光能量是激光能量的15%左右，飛層動(dòng)能又是這部分能量的15％左右，也就是說壓力做功壓縮的球殼材料和氘氚層的動(dòng)能只有激光能量的2%左右?！?

激光聚變間接驅(qū)動(dòng)方式能量轉(zhuǎn)換示意圖圖片來源：“淺談激光聚變”

而只有在飛層向心運(yùn)動(dòng)，向心壓縮形成高密度主燃料層，同時(shí)飛層的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為芯部氘氚內(nèi)能后，才能形成高溫點(diǎn)火熱斑，實(shí)現(xiàn)熱核聚變點(diǎn)火和燃燒，放出聚變能。

第二個(gè)，這種點(diǎn)火方式對靶丸的幾何對稱性極為敏感，甚至可能會對表面粗糙度的要求達(dá)到微米級以下，遠(yuǎn)低于一根頭發(fā)絲直徑。在這一背景下，如何低成本批量制造靶丸亦是巨大難題。

最后我們談?wù)刏-箍縮的難點(diǎn)，它的難點(diǎn)本身也就是它的特點(diǎn)。也即，如何控制向等離子體柱通入百萬到千萬安培級的脈沖電流，并保證等離子體的穩(wěn)定性，使其不斷裂，不扭曲膨脹乖乖地進(jìn)行核反應(yīng)。同時(shí)極高電流也會對功率源設(shè)計(jì)、絕緣體強(qiáng)度、電極壽命、觸發(fā)系統(tǒng)精度等造成挑戰(zhàn)。

等這一切解決完了之后，Z-箍縮還有一個(gè)問題需要解決，那就是如何從低頻脈沖運(yùn)行向高頻連續(xù)點(diǎn)火轉(zhuǎn)變。

綜合看來，相比于更溫和的磁約束，慣性約束的問題在于如何高頻率穩(wěn)定且相對低成本地輸出電力。