激光聚变主要分为两个基本的物理过程：

  • 燃料的压缩：从激光等离子体作用，到燃料的内爆加速和压缩，再到阻滞和约束；
  • 燃料的加热：通过提高燃料温度，实现热斑点火和自持燃烧。

然而，加热所需的能量远远大于压缩的能量，这一方面是因为需要加热到很高的温度，另一方面是因为很低的激光耦合效率。

在$1keV\sim 5keV$这个阶段，聚变反应速率正比于温度的四次方，所以温度的提升的收益是很大的。当温度超过$5keV$，就可以实现自持燃烧。

中心点火方案

中心点火方案通过内爆压缩实现点火，面临以下两个内禀物理困难：

  • 流体力学不稳定性：高密度的DT冰和低密度的DT气体；
  • 驱动效率低：激光只有不到$1\%$用于加热热斑。

中心点火方案同时提高温度和密度，这导致聚变难以可控；如果分离压缩和加热过程，那么可以提高可控程度。

电子快点火方案

首先用纳秒激光进行压缩；然后利用皮秒激光进行加热。其困难在于：

  • 高效产生快电子束；
  • 使快电子束准直穿过低密度冕区，将能量局部沉积在高密度等离子体。

为了解决这两个困难，大家产生了两种方案：

方案 激光打洞 金锥导引
优势 可以产生等离子体通道 激光与金锥底部作用产生高能快电子束
金锥缩短了快电子束传输距离，提高耦合效率
困难 皮秒激光难以产生高能量快电子束 /

快点火方案的优势：

  • 相比于中心点火方案，快点火方案的内爆速度较小，流体不稳定性增长缓慢；
  • 等密度模型，所需的激光能量较小，具有更高的靶增益和鲁棒性。

简单推导可知：

推导过程：计算电子加热的发散立体角

热斑对应的立体角：

所以耦合效率为：

快点火方案的内禀困难：

  • 传统内爆压缩难以实现等密度分布；
  • 快点火计数要求皮秒激光能量$\geq 50kJ$，但实际上难以获得$\geq 10kJ$的皮秒激光。

冲击点火方案

通过对激光脉冲进行时间整形以产生超强内聚冲击波。

优势：

  • 冲击点火的激光前部是压缩激光，后部是点火激光，波形较简单；
  • 采用较厚的燃料壳层，不稳定性降低；
  • 更低的激光能量意味着更高的能量增益。

困难：

  • 对激光强度在$10^{15}\sim 10^{16}W/cm^2$的激光等离子体相互作用尚未全面理解；
  • 对激光波形的形状和时间控制难以精确。

双锥对撞点火方案

四个物理过程：

  • 近等熵压缩：
  • 烧蚀冲击混合加速：
  • 对撞预加热：
  • 强磁场引导：