人类发展的历史进程是一场追逐能源的赛跑。当人类第一次用火驱赶猛兽时，就已经超越所有其他动物成为地球上唯一能创造文明的物种。当人类第一次将蒸汽用作机械动力时，引发的工业革命使人类文明急速演进、社会面貌天翻地覆。当人类第一次将石油用作内燃机燃料时，能源质量和使用效率大幅提升，让人类社会迈入机械化和电气化时代。然而，很多人没有料到的是，新的能源革命竟来得如此之快。1905年，爱因斯坦创立狭义相对论，为人类揭示了物理学最著名的质能方程：E=mc，将人类带入核能时代，很快发明了和氢弹，裂变能源也进入了寻常百姓家。

　　如何利用撼天动地的聚变能源造福人类成为当代物理学家一直思考的问题。1955年，24岁的John Nuckolls开始评估在一座挖空的山体中引爆小当量氢弹，再收集聚变能量用于发电的可行性。虽然最后这一方案没能进行下去，但是，这一天马行空的设想也预示着，人类想要利用聚变能源，必然要依靠打破常规的方式。1972年，Nuckolls仔细研究了激光驱动氘氚靶丸聚变的方案，发表了一篇具有里程碑意义的论文。当时他认为，1 kJ的激光能量就能完成增益为1的聚变点火实验，而1 MJ的激光能量就能实现高增益聚变。于是，全球科学家做了一系列的实验评估与理论分析，NOVA、OMEGA、NIF、神光系列装置等大型激光装置也在新世纪相继建成，使惯性约束聚变研究如火如荼地快速推进。然而，雄关漫道真如铁，历经数十载风雨蹉跎，惯性约束聚变成功之路上充满了艰辛与坎坷。美国NIF装置在建成后历经12年才最终宣布点火成功，利用超过2 MJ的激光能量才实现聚变能量增益大于1的历史性突破。

　　实现聚变点火是一场漫长的远航，漫漫征途上荆棘密布。激光等离子体不稳定性、束间能量转移、超热电子预热、流体力学不稳定性、烧蚀层和热斑燃料混合、充气管与支撑膜等各种意想不到的物理问题和技术难题接踵而来，使激光驱动惯性约束聚变征途上的坎坎坷坷超乎想象。经过科学家们数十年的夙兴夜寐，让惯性约束聚变理论和数值模拟方法更加丰富与完善。《惯性约束聚变理论与数值计算》（以下简称“本书”）对上述物理问题和技术难题进行了较为全面的介绍，它是年轻科研工作者开启惯性约束聚变研究的引路者。

　　“Lawson Criterion for Ignition Exceeded in an Inertial Fusion Experiment”，这是2021年美国NIF装置实现1.37 MJ聚变能量这一重大突破后发表的一篇论文，其中的劳森判据（Lawson Criterion）是实现受控聚变放能并产生能量增益点火的关键。本书第一章便对劳森判据做了系统性分析，并揭示了其背后深刻的物理含义。中国人讲究落叶归根，所有的聚变方案最终也都要扎根到劳森判据之上。如此重要公式的推导并没有花费John Lawson太多时间，其形式也只是简单的密度、温度和约束时间的三重积，与质能关系一样，最宏大的物理过程往往只需要最简单的表示形式。

　　“山苍苍，水茫茫，大孤小孤江中央。”苏轼豪放的笔触不仅描绘了壮丽的江河，也机缘巧合地描述出惯性约束聚变点火过程中的最大难题之一——流体力学不稳定性。聚变靶表面的凸起和内部的空腔，就像是江水中央的一座座孤岛，让周围的流体出现繁杂的扰动。这种扰动在靶丸内爆加速和减速过程中愈演愈烈，让靶丸外壳层变得更加脆弱、靶丸中心的高温热斑形成变得更加困难。从昙花一现的1.37 MJ聚变能量输出到线 MJ聚变能量输出，制靶工艺的提升和低模瑞利-泰勒不稳定性的成功抑制对点火实验成功起到了关键性作用。本书第二章对内爆压缩过程和流体力学不稳定性理论介绍，有助于读者加深对聚变点火过程的理解与思考，找寻更加稳定的聚变点火新方案。

　　在NIF装置聚变点火成功发布会上，劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金伯利·布迪尔幽默地说到：“The joke about Livermore is that Lawrence Livermore National Lab isn’t what LLNL stands for … it stands for ‘lasers, lasers, nothing but lasers ”。本书第五章为我们展现了激光ICF中最重要的激光等离子体相互作用。正是依靠高功率激光对聚变靶丸的烧蚀，在表面产生向外膨胀的高温等离子体，在反作用力下使靶丸剩余质量迅速向内压缩靶丸，达到极端高温高密度条件。这种靶丸表面向外喷射向内压缩的过程，被物理学家们用了“球形火箭”这样一个极具想象力的名称来命名。运载火箭支撑人类探索浩瀚的宇宙，而“球形火箭”则推动人类在聚变的茫茫大海上远航。

　　惯性约束聚变领域常用的自相似理论是研究流体力学过程的有力工具，本书第八章对此进行了详细地介绍。小到数十千焦、大到兆焦量级的激光聚变装置，它们都遵循着相同的物理准则，物理学的精妙之处在自相似理论中得到了完美的体现。这种跨越巨大数量级的物理规律的统一性，不仅推动了基础物理理论的发展，也让大科学装置的建设更具科学的底气。古代中国有代表了军事建筑和宫殿建筑巅峰的长城和紫禁城，现代中国也有“两弹一星”、“神光”系列激光装置这些原子能领域的伟大工程，这些国家工程的建设提升了国家战略竞争力。

　　人们常说，几乎所有伟大的物理学家一定是一位数学家，这是为什么呢？本书第九章关于辐射流体力学的数值模拟，就给了我们答案。ICF理论研究不仅推动了物理学的发展，而且促进了辐射流体力学计算算法的创新和模拟程序研制。在超级计算机帮助下，惯性约束聚变物理过程以更清晰、更具预测性的数值形式展现在我们面前。正是依靠数值模拟，物理学家才能从复杂的高能量密度物质中发现那些新奇的物理现象。刚接触辐射流体力学的数值模拟时，可能会被复杂抽象的公式所震慑，但每一条公式下，都蕴藏着机遇和挑战，这恰恰是从理论到实验，承上启下的关键一步。

　　除了上述内容，本书还详细研究了热斑点火、能量增益、物态方程、能量沉积和中子输运等惯性约束聚变过程中的重要过程。本书以基础的物理定律为起点，揭示惯性约束聚变过程中复杂的物理过程，结合必要的技术背景和关键参数，为我们明确了聚变点火的努力方向，对惯性约束聚变研究的基础和前沿进展做了深入浅出的介绍，特别适合作为物理学和核科学与技术专业的研究生教学用书，引领年轻的睿智头脑向着聚变点火这一伟大目标冲刺，在智能化时代，享受这种知识在脑海中聚变而产生的乐趣。在本书的指引下，系统性地了解这惯性约束聚变这人类历史上最伟大的能源探索工程，让年轻的心灵在聚变研究的远航中发现新的大陆。

　　《惯性约束聚变理论与数值计算》由科学出版社出版。该书从基本物理原理和数学描述出发，全面介绍与激光惯性约束核聚变相关的基础理论和数值计算方法。全书共 11 章，内容包括引论，聚变反应与惯性约束聚变物理，球壳靶的内爆动力学，热斑点火，α粒子加热和能量增益，激光等离子体相互作用，物态方程，带电粒子在靶中的能量沉积，流体力学自相似理论及应用，辐射流体力学数值模拟，中子输运和核素燃耗‍等。

　　王尚武，1962年出生，湖南益阳人。国防科技大学理学院教授，硕士生导师。1983年于国防科技大学应用物理系本科毕业，1986年同校核技术应用专业研究生毕业后留校任教。1999年至2001年美国伦斯勒理工大学访问学者。发表学术论文100余篇，出版学术专著4部，获军队科技进步奖3项、军队教学成果奖2项。曾任中国《计算物理》期刊编委，湖南省核学会常务理事。

　　杨晓虎，云南大理人。2002年考入国防科学技术大学，2012年获国防科学技术大学理学博士学位并留校任教。主要从事惯性约束聚变理论和数值模拟研究，主持国家自然科学基金、国家重大专项课题等10余项项目，发表学术论文90余篇，出版学术专著2部，获军队级科技进步奖和教学成果奖2项。现任湖南省核学会常务理事、High Power Laser Science and Engineering期刊青年编委。

　　张国博，副教授，2011年本科毕业于大连理工大学，2018年于国防科技大学获理学博士学位，现工作于国防科技大学理学院核科学与技术系。

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