2024年4月4日，美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)周刊《科學(xué)之光(Scilight)》專題報(bào)道了雙錐對(duì)撞（DCI）聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)近期在創(chuàng)造高密度等容等離子體方面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展[1]。Scilight是美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版社(AIP publishing)出版的網(wǎng)絡(luò)周刊，致力于報(bào)道AIP發(fā)表的具有獨(dú)特創(chuàng)新性和重大科學(xué)意義的物理研究成果，每年僅從AIP旗下30多個(gè)期刊發(fā)表的眾多學(xué)術(shù)論文中挑選300余篇最值得關(guān)注的論文進(jìn)行報(bào)道。

高增益激光聚變反應(yīng)需要用多路激光束對(duì)聚變?nèi)剂线M(jìn)行穩(wěn)定壓縮和高效加熱，以便把聚變?nèi)剂蠅嚎s并加熱到相當(dāng)于太陽(yáng)核心的密度和比太陽(yáng)核心還要高得多的溫度，實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火與燃燒。由于傳統(tǒng)的中心點(diǎn)火路徑將球?qū)ΨQ壓縮過(guò)程與對(duì)中心燃料氣囊壓縮做功自加熱的過(guò)程耦合在一起，因而帶來(lái)了內(nèi)界面不穩(wěn)定性和加熱效率較低等困難。與之不同的是，“快點(diǎn)火”路徑將壓縮過(guò)程和快速外加熱過(guò)程分離開(kāi)來(lái)，因而可以分別優(yōu)化壓縮與加熱過(guò)程，使得燃料在壓縮阻滯時(shí)刻達(dá)到沿加熱方向最大均勻密度，然后通過(guò)注入極短脈沖的高能電子束實(shí)現(xiàn)壓縮燃料的局域高效率等容加熱，實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火和高增益聚變。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，如何產(chǎn)生具有均勻密度分布并且有陡峭邊緣的高密度等容等離子體一直是實(shí)驗(yàn)上的挑戰(zhàn)，因?yàn)槭褂猛ǔ＞劢狗椒óa(chǎn)生的高密度等離子體，其外圍自然存在的冕區(qū)等離子體會(huì)使入射的加熱電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，大幅度降低加熱效率。

DCI聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的理論和實(shí)驗(yàn)研究，近期在上海光機(jī)所“神光II”升級(jí)激光裝置上進(jìn)行的第6-8輪實(shí)驗(yàn)中，證明了通過(guò)準(zhǔn)確調(diào)控等離子體噴流的高速對(duì)撞過(guò)程，可以產(chǎn)生高密度的等容等離子體[2]。在實(shí)驗(yàn)中，他們將多路納秒激光束聚焦在壓縮金錐內(nèi)的球殼燃料上，產(chǎn)生沿金錐軸向的高速內(nèi)爆，經(jīng)過(guò)高度壓縮與加速后的高密等離子體射流由金錐口出射并與對(duì)面金錐口出射的等離子體射流實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)撞，在阻滯時(shí)刻形成了中間密度高、邊緣密度陡的等離子體，最后在千特斯拉磁場(chǎng)的引導(dǎo)下，皮秒相對(duì)論激光在加熱金錐中產(chǎn)生特定能量的高能電子束，注入到高密度等離子體中實(shí)現(xiàn)快速加熱。由于加熱金錐可以直接插入到陡峭邊緣的等容等離子體中，因而可以期待高能電子束對(duì)等離子體局部的高效加熱。這些結(jié)果在去年結(jié)束的第7輪和第8輪實(shí)驗(yàn)中得到可靠重復(fù)，他們系列實(shí)驗(yàn)的最終目的是實(shí)現(xiàn)高效的聚變點(diǎn)火和燃燒。

X射線條紋相機(jī)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在總能量為10kJ的納秒激光驅(qū)動(dòng)下，可以形成內(nèi)爆速度穩(wěn)定在220km/s左右的高速內(nèi)爆等離子體噴流。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)精確調(diào)控等離子體噴流的對(duì)撞過(guò)程，可以顯著地提高聚變?nèi)剂系臏囟群兔芏?，并且在高速等離子體噴流對(duì)撞的界面沒(méi)有觀察到顯著發(fā)展的瑞利泰勒不穩(wěn)定性，顯示了對(duì)撞過(guò)程的魯棒性。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與二維聚變流體程序MULTI-2D的模擬結(jié)果基本一致。該研究結(jié)果不僅對(duì)DCI方案后續(xù)的高能電子束快速加熱過(guò)程至關(guān)重要，對(duì)致密簡(jiǎn)并天體物理的研究也具有重要意義。

在過(guò)去的一年時(shí)間里，“神光II”升級(jí)裝置已被進(jìn)一步升級(jí)為具有總能量大于32kJ的16路納秒驅(qū)動(dòng)激光束和總能量為3.5kJ的2路皮秒激光束的直接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火研究平臺(tái)。DCI聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)目前正在該研究平臺(tái)上進(jìn)行第9輪實(shí)驗(yàn)，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)引導(dǎo)加熱過(guò)程的優(yōu)化。

該研究工作以“Observation of the colliding process of plasma jets in the double-cone ignition scheme using an x-ray streak camera”為題發(fā)表在國(guó)際等離子體研究界知名期刊《Physics of Plasmas》上。該論文被選為當(dāng)期的編委推薦（Editor's Pick），并被美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)《科學(xué)之光》（Scilight）以《Head-on collision of compressed plasma jets shows promise for high-gain laser fusion》為題進(jìn)行了專訪報(bào)道。該工作由中科院先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金和上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃資助。北京師范大學(xué)博士生劉正東和上海交通大學(xué)吳福源副研究員為論文共同第一作者，上海交通大學(xué)/中國(guó)科學(xué)院物理研究所張杰院士和北京師范大學(xué)仲佳勇教授為共同通訊作者。