可控核聚变的难点

路线的不同使得可控核聚变不同路线在设计制造上的难点既有共性也有特性。仅就共性而言，所有可控核聚变路线和装置都面临一个问题，那就是第一壁材料应该如何选择。由于可控核聚变本身必然产生大量核辐射，而长时间的核辐射会对主体结构造成不可逆的破坏。为了减少乃至解决这一问题，可控核聚变都需要在主体结构（包括内壁）与核反应区之间设置一层用于减弱或屏蔽辐射的结构，也就是所谓第一壁。

第一壁是包围等离子体或聚变靶腔的最内层材料，它将在反应过程中首先承受聚变产物（主要是高能中子、X射线、α粒子等）轰击和加热。这意味着第一壁材料需要具备耐高温、抗辐照等性能。

一般来说，第一壁有几种潜在可行的技术路线：高熔点金属（如钨、钼、铬钢）：抗高温、抗辐照能力强，表面可涂覆纳米陶瓷层等材料以抵抗X射线。低活化合金、陶瓷复合材料：减缓中子活化、便于废料管理。流动液态壁技术（如液态锂）：可部分自修复损伤、带走表面能量，减小固体材料疲劳。多层复合结构设计：以兼顾/实现强度、热导率、辐射防护等多种功能。

虽然笔者尚不清楚不同技术路线对第一壁材料的具体偏好，但这是所有可控核聚变路线必须考虑的问题。

除了第一壁材料，每种可控核聚变路线都有自己的难点。以托卡马克为例，超高温等离子体内部的密度、温度、流速、组分在空间和时间上高度非均匀，这使得等离子体本身的不稳定会在外部磁场等作用下被进一步放大（出现如撕裂模、锁模、锯齿振荡、边界局域模等问题），导致磁场结构、能量和粒子约束能力突变，甚至直接引发“等离子体破裂”。

而这一问题与其基础设计直接相关：极向磁场需靠外部线圈进行形状控制和补偿。可以说，这个问题是从娘胎里带出来的。正因如此，等离子体控制成为限制托卡马克装置商业化的重要技术难点，也促使人们探索无需大电流驱动的仿星器路线。

但是仿星器的优势也是其劣势所在。相比于几何构型相对简单的托卡马克装置，仿星器磁场必须依靠高度非轴对称、复杂三维扭曲的外部线圈精确生成，设计计算极其复杂，对几何精度和制造误差极为敏感。

而且仿星器线圈体积庞大，形状各异，关键部位装配和定位精度要求达到毫米甚至微米级，否则磁面容易破坏，等离子体约束急剧恶化。此外由于完全靠内部等离子体形成极向磁场，对于等离子体内部的自举电流控制、杂质抑制和边界等离子体控制都有更高要求。

这使得仿星器现在不仅造价高昂，还在聚变三乘积等关键工程参数上也远远落后于托卡马克装置，在进度上落后于托卡马克装置路线。

而在惯性约束上，激光可控核聚变和Z-箍缩也有各自独特的难点。

抛开持续辐射损伤不谈，激光可控聚变的难点集中在激光与靶丸本身。众所周知，要实现商业发电，激光点火装置就需要高频高精度持续对靶丸进行点火，即使不考虑核辐射对相关器件的破坏力，单单实现几秒一次，甚至每秒几次对靶丸进行间断照射就是一个巨大的难题。

而且激光照射不仅涉及大功率照射问题，还涉及能量耦合与驱动效率问题。激光可控核聚变每次脉冲激光能量在兆焦耳量级，并分配到复数束激光进行同步照射，其中美国的NIF设计采用192束激光驱动，而中国神光三号实验装置采用了48束激光。

同时，需要说明的是，激光点火有三种驱动模式，直接驱动、间接驱动和混合驱动。在直接驱动激光聚变中，驱动靶丸内爆的源是激光。为一定程度上规避激光-等离子体相互作用的不利影响，驱动激光的强度要求控制在I=10^15 W/cm^2左右，光压为0.3×10^6个大气压。

激光直接驱动惯性约束聚变示意图 图片来源：“浅谈激光聚变”

在间接驱动激光聚变中，驱动靶丸内爆的源是由激光转换而来的X光，X光场的温度在300eV左右，辐射压为0.37×10^6大气压。光压或辐射压与聚变点火需要的氘氚等离子体压强相差很大，需要增压。

激光聚变间接驱动方式示意图 图片来源：“浅谈激光聚变”

而在混合驱动中，科学家会先用X光驱动靶丸，然后在X光驱动源主脉冲阶段叠加激光脉冲，以提高驱动压强，达到改善内爆性能的目的。

混合驱动激光聚变示意图 图片来源：“浅谈激光聚变”

三种路线中，直接驱动模式对于激光要求太高，因此以美国激光核聚变装置为代表的可控核聚变路线主要采用的是间接驱动模式（而且这对于很多国家来说可能更熟悉）。近年来，我国也在推进围绕混合驱动涉及的关键物理过程实验。根据一些论文透露的信息，我国应当已经基于神光激光装置开展了混合驱动激光聚变的验证实验，在混合增压效应等领域的研究已经得到了实验的定性支持。

回到现阶段的激光可控核聚变上，2022年12月13日，美国能源部宣布2022年12月5日NIF装置物理实验聚变放能大于驱动激光能量，实现热核聚变点火。此后，又有NIF装置的三次物理实验实现了聚变放能大于驱动激光能量。不少人对于此次可控核聚变实验有一定误读，认为是整体输入能量小于整体输出（Q>1），实则不然。

以2022年12月5日聚变点火实验为例，其物理结果是聚变放能3.15±0.16MJ，对应聚变中子数（聚变发生的次数）为1.1×10^18个，也就是发生聚变的氘氚质量为9µg（假定氘氚的核子数比1:1）。实验初始氘氚装量是0.22mg，则氘氚燃耗是4.1%左右。1公斤TNT炸药的放能为4.19MJ，聚变放能3.15MJ相当于750克TNT炸药的放能。只能说其释放能量大于单次驱动的激光能量，但远小于整个系统的消耗电能。

说回到激光核聚变的难点本身，也就是靶丸制造上。而用于点火的靶丸分为三层，其中烧蚀层位于最外层，传统上由碳氢化合物构成，作用是当激光照射时，外层材料迅速气化并向外膨胀，产生反冲力推动内层向内压缩。燃料层位于烧蚀层内，包含固态的氘氚冰，是聚变反应的燃料。中心填充气体在靶丸内部，通常填充有气态的氘氚燃料，为聚变反应提供初始燃料。而在靶丸外部还有一个专门的黑腔用于注入氦气以及提供间接驱动所需的X光。

激光点火靶丸示意图图片来源：“浅谈激光聚变”

美国人公布的2022年激光点火实验靶丸示意图 图片来源： "Achievement of target gain larger than unity in an inertial fusion experiment"

根据美方公布的论文和图片，2022年12月引发世界关注的实验中的靶丸相比于早年的设计又有所改进，四次实验的靶丸外部采用贫铀镀金的圆柱形黑腔封装；圆柱形黑腔的中心放置装填有氘氚的靶丸，靶丸由外向里的结构为：微晶金刚石组成的高密度碳、氘氚冰和氘氚气体。

但无论怎么改进，激光可控核聚变有两个天然难点。第一个是激光能量通过等离子体与燃料靶丸的实际耦合效率较低，大量能量损耗在外部等离子体、X射线预热等过程中，难以充分传递到燃料核心。根据《物理》2024年第5期上刊登的“浅谈激光聚变”一文测算：“靶丸吸收的X光能量是激光能量的15%左右，飞层动能又是这部分能量的15％左右，也就是说压力做功压缩的球壳材料和氘氚层的动能只有激光能量的2%左右。”

激光聚变间接驱动方式能量转换示意图图片来源：“浅谈激光聚变”

而只有在飞层向心运动，向心压缩形成高密度主燃料层，同时飞层的部分动能转化为芯部氘氚内能后，才能形成高温点火热斑，实现热核聚变点火和燃烧，放出聚变能。

第二个，这种点火方式对靶丸的几何对称性极为敏感，甚至可能会对表面粗糙度的要求达到微米级以下，远低于一根头发丝直径。在这一背景下，如何低成本批量制造靶丸亦是巨大难题。

最后我们谈谈Z-箍缩的难点，它的难点本身也就是它的特点。也即，如何控制向等离子体柱通入百万到千万安培级的脉冲电流，并保证等离子体的稳定性，使其不断裂，不扭曲膨胀乖乖地进行核反应。同时极高电流也会对功率源设计、绝缘体强度、电极寿命、触发系统精度等造成挑战。

等这一切解决完了之后，Z-箍缩还有一个问题需要解决，那就是如何从低频脉冲运行向高频连续点火转变。

综合看来，相比于更温和的磁约束，惯性约束的问题在于如何高频率稳定且相对低成本地输出电力。