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惯性约束聚变激光驱动装置用光学元器件的研究进展邵建达;戴亚平;许乔【摘要】介绍了为提高惯性约束聚变(ICF)激光驱动装置的光束质量和输出功率,我国在神光系列激光装置的建设、运行和性能提升方面开展的工作.综述了我国近年来ICF激光装置用光学元器件的重要研究进展.文中涉及了高纯金属铪和磷酸二氢钾(KDP)等原材料的制备和四大主材(钕玻璃、高纯度KDP、熔石英和KDP/高掺氘KDP(KDP/DKDP晶体)的熔炼、加工和生长.描述了元器件的冷加工(针对钕玻璃、白玻璃、KDP晶体)技术和镀膜技术(针对介质膜和化学膜).最后,给出了针对大口径光学元件工序检及终检开展的多项关键检测技术.文中介绍的关键技术与工艺满足了绝大部分光学元器件的需求,显著提升了光学元器件的研发和生产能力.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2016(024)012【总页数】7页(P2889-2895)【关键词】惯性约束核聚变(ICF)激光装置;光学元器件;材料制备;光学检测;综述【作者】邵建达;戴亚平;许乔【作者单位】中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800;中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621000;成都精密光学工程研究中心,四川成都610000【正文语种】中文【中图分类】TL632;TN305.2惯性约束聚变(Inertial Confinement,ICF)激光驱动装置是一项庞大、复杂且系统性极强的超大型光学工程，这个大型光学系统中包含片状玻璃放大器、反射镜、透镜、偏振元件、晶体、窗口以及衍射光学元件等各种性能的光学元器件。
以当前世界上规模最大、能量最强的激光器——美国国家点火装置(NIF)为例，它包含了大约7 500块大尺寸光学元件(直径在600～1 000 mm)和30 000块小尺寸光学元件[1]。
对用于ICF驱动的高功率激光装置而言，获得更高输出能量和功率的激光束一直是研究人员追求的目标。
可控核聚变磁约束和激光约束
可控核聚变是一种有前途的能源技术，它利用核聚变反应产生大量的能量。
目前，实现可控核聚变的主要方法有磁约束和激光约束两种。
磁约束是通过磁场将等离子体约束在一定的空间内，使其达到高温高压的状态，从而引发核聚变反应。
目前比较成熟的磁约束装置是托卡马克，它利用强大的磁场将等离子体约束在环形真空室内，通过加热和压缩等离子体来实现核聚变反应。
磁约束的优点是技术相对成熟，已经实现了长时间的等离子体约束和聚变反应。
激光约束是利用高功率激光束将等离子体加热到极高温度，从而引发核聚变反应。
目前比较典型的激光约束装置是惯性约束聚变，它利用高功率激光束将燃料球加热到数千万度的高温，使其发生内爆，从而实现核聚变反应。
激光约束的优点是反应条件更为苛刻，可以实现更高的能量增益和更短的聚变时间。
两种方法各有优缺点，目前都还面临着一些技术挑战。
磁约束需要解决磁场的稳定性、等离子体的控制和加热等问题，而激光约束则需要解决高功率激光的产生、传输和聚焦等问题。
未来，可控核聚变的发展可能需要综合运用两种方法的优点，以实现更高效率和更稳定的聚变反应。
惯性约束核聚变刘红(中国工程物理研究院研究生部100088)/每个研究理论问题的人,,不可抗拒地被迫接受近代自然科学的成果0。
我们正处在一个知识爆炸、高新技术迅猛发展的时代,2001年2月26日到3月6日,在北京展览馆举办的/八六三计划50周年成就展0,向人们展示了中国在新世纪所拥有的高科技与新技术。
1986年为了迎接世界新技术革命和高技术竞争的挑战,王大珩、王淦昌、杨嘉墀、陈芳允4位科学家,提出加快发展我国高技术的建议,邓小平同志高瞻远瞩,果断决策,于同年3月亲自批准启动了我国高技术研究发展计划,即863计划,中国的高技术研究发展由此掀开了崭新的篇章。
863计划实施15年以来,在生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、能源技术、材料技术、海洋技术等领域,在超导,信息安全等专项取得了令人瞩目的进展与成就,智能机器人/青青0、组织重组/人耳0老鼠、克隆羊/滔滔0、高温超导磁悬浮实验车/世纪号0等等成了展览会上的名星,小朋友们牵挂的宠物。
一个新技术、一个高科技给人们带来多少生活的信心和喜悦。
高技术/惯性约束核聚变0军民两用项目,更是受到国家领导人的高度重视。
一、惯性约束核聚变的简介惯性约束核聚变(Inertial C onfinement Fusion,简称ICF),研究的目标是在21世纪实现干净的聚变能源和军事应用,在实现高增益聚变反应堆之前,在中期应用上,也可以利用实验室微聚变设施进行国防和科学方面的重要研究。
ICF是不同于磁约束的另一种可控热核聚变,它的基本思想是:利用激光或离子束作驱动源,脉冲式地提供高强度能量,均匀地作用于装填氘氚(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面,形成高温高压等离子体,利用反冲压力,使靶的外壳极快地向心运动,压缩氘氚主燃料层到每立方厘米的几百克质量的极高密度,并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑,达到点火条件,驱动脉冲宽度为纳秒级,在高温高密度热核燃料来不及飞散之前,进行充分热核燃烧,放出大量聚变能。
聚变能源技术聚变能源技术是一种前沿的能源开发技术，被誉为未来能源的希望。
它利用核聚变反应释放出的巨大能量，实现了类似太阳的能源供应。
与传统的核裂变技术相比，聚变能源技术具有更高的安全性和可持续性。
聚变能源技术的核心是将轻元素如氢聚合成重元素，释放出巨大的能量。
这一过程需要高温和高压的条件，因此科学家们一直在努力寻找合适的方法来实现聚变反应。
目前，最有希望实现聚变反应的方法是磁约束聚变和惯性约束聚变。
磁约束聚变是利用强大的磁场将等离子体约束在一个磁场容器中，使其达到足够高的温度和压力，从而实现聚变反应。
这种方法的代表是国际热核聚变实验堆（ITER），它是迄今为止最大的聚变实验装置。
ITER的目标是证明聚变反应的可行性，并为未来的商业化聚变电站提供技术支持。
惯性约束聚变则是利用激光或粒子束等能量源将聚变材料加热至极高温度，使其发生聚变反应。
这种方法的代表是国家点火实验装置（NIF），它是世界上最大的激光装置之一。
NIF的目标是实现可控的聚变反应，并为未来的商业化应用提供技术基础。
聚变能源技术具有许多优势。
首先，聚变反应所使用的燃料是氢，而氢是地球上最丰富的元素之一，因此聚变能源具有极高的可持续性。
其次，聚变反应不会产生大量的放射性废物，相比之下，核裂变技术产生的放射性废物对环境和人类健康的影响更小。
此外，聚变反应的安全性也更高，因为聚变反应本身是自限制的，一旦反应失控，反应会自动停止。
然而，聚变能源技术仍然面临许多挑战。
首先，实现聚变反应所需的高温和高压条件非常困难，需要解决材料耐受性、能量损耗等问题。
其次，聚变能源技术的建设和运营成本非常高，需要大量的资金和技术支持。
此外，聚变能源技术的商业化应用还需要解决输运、储存等技术难题。
尽管聚变能源技术面临着许多挑战，但它仍然是一种具有巨大潜力的能源解决方案。
随着科学技术的不断进步，相信聚变能源技术将逐渐实现商业化应用，为人类提供清洁、可持续的能源供应。
我们期待着聚变能源技术的突破，为未来的能源发展开辟新的道路。
核聚变技术研究的最新进展核聚变技术一直被视为能源领域的终极目标，它的实现将彻底改变人类对能源的依赖。
近年来，科学家们在核聚变技术研究方面取得了一系列重要的突破，为实现可控核聚变提供了新的希望。
首先，磁约束核聚变技术是目前最为成熟的核聚变技术之一。
它利用强大的磁场将等离子体约束在磁力线上，使其达到足够高的温度和密度，从而实现核聚变反应。
ITER（国际热核聚变实验堆）是目前最大的磁约束核聚变实验装置，由欧洲、美国、中国、俄罗斯等国共同参与建设。
预计在2025年左右，ITER将实现长时间稳定运行，并实现正比例的能量输出。
这将为未来商业化应用奠定基础。
其次，惯性约束核聚变技术也取得了一定的进展。
该技术利用激光或粒子束等能量源，将等离子体加热至极高温度，从而实现核聚变反应。
美国国家点火实验装置（NIF）是目前最大的惯性约束核聚变实验装置，它采用了激光驱动的方式，能够产生高达2兆瓦的激光功率。
近年来，NIF在实现点火条件方面取得了一系列重要进展，为惯性约束核聚变技术的发展提供了新的突破口。
除了磁约束和惯性约束核聚变技术，还有一种被称为射频加热核聚变技术的新兴技术也备受关注。
这种技术利用射频波将等离子体加热至高温，从而实现核聚变反应。
与磁约束和惯性约束核聚变技术相比，射频加热核聚变技术具有更高的效率和更低的成本，因此被认为是未来核聚变技术的发展方向之一。
目前，国内外的科研机构已经开始在射频加热核聚变技术方面进行实验研究，取得了一些初步的成果。
除了核聚变技术本身的研究进展，核聚变材料的研究也是当前的热点之一。
核聚变反应需要承受极高的温度和辐射，因此对材料的要求非常严苛。
钨、铌、碳纳米管等材料被广泛应用于核聚变实验装置中，但它们仍然存在一些问题，如辐照损伤、材料疲劳等。
因此，科学家们正在积极寻找新的核聚变材料，以提高核聚变装置的性能和寿命。
总的来说，核聚变技术研究的最新进展给人们带来了希望。
虽然离商业化应用还有一定的距离，但科学家们已经取得了一系列重要的突破，为实现可控核聚变提供了新的路径。
激光惯性约束核聚变历程回眸
激光惯性约束核聚变历程回眸
谢兴龙
【摘要】惯性约束核聚变是获取聚变能的⼀种可能途径，随着更⼤型激光驱动器的建成，正在探索点⽕点附近的各种物理过程和实现点⽕的⽅式，以期未来可以实现真正的聚变点⽕，同时⼤型激光驱动器也推动了⾼能密度物理研究的发展，实验结果表明，当前惯性约束核聚变研究正处于困难和机遇共存的阶段，本⽂对惯性约束核聚变以及⼤型激光驱动器的发展历程进⾏回顾，并对实验的结果进⾏简单综述。
【期刊名称】安徽师范⼤学学报（⾃然科学版）
【年(卷),期】2018(041)002
【总页数】7
【关键词】激光驱动器，惯性约束核聚变，间接驱动，直接驱动
引⾔
⾃从发现热核聚变是太阳的能源后，科学家们就已经梦想能驾驭这种聚变的能量，但是将氢原⼦和氘氚聚合到⼀起，形成氦核并释放出巨⼤的能量，同时形成可持续的⾃持燃烧,这⼀过程在地球上是极难实现的。
实验揭⽰，⼀场核爆所产⽣的喷射物质其⾼能量密度状态所呈现的压⼒和温度与太阳的活动同样量级，这直接催⽣了在实验室内利⽤⼩型核爆来实现聚变反应以获取能量的想法，早前的研究⼀直集中在磁约束聚变的⽅法上，到了上世纪60年代，随着⾼功率激光技术的发展，美国和我国科学家⼏乎同时提出了利⽤⾼功率激光驱动器轰击氘氚靶丸实现聚变反应的⼿段，并称之为惯性约束核聚变(ICF)。
在惯性约束核聚变条件下，产⽣的等离⼦体燃料必须受控在1011atm⼤⽓压下，根据等。
磁约束和惯性约束
受控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。
惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。
20世纪下半叶，聚变能的研究取得了重大的进展，托卡马克类型的磁约束研究领先于其他途径。
受控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。
惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。
磁约束是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。
20世纪下半叶，聚变能的研究取得了重大的进展，托卡马克类型的磁约束研究领先于其他途径。
第２７卷第３期 ２０１５年３月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩＧＨ Ｐ０ＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ Ｖｏ１．２７，ＮＯ．３
Ｍａｒ．，２０１５
激光间接驱动惯性约束聚变二维总体程序 ——ＬＡＲＥＤ集成程序
宋 鹏， 翟传磊， 李双贵， 勇 珩， 齐 进， 杭旭登， 杨 容， 成 娟， 曾清红， 胡晓燕， 王 帅， 施 意， 郑无敌， 古培俊， 邹士阳， 李 欣， 赵益清， 张桦森， 张爱清， 安恒斌， 李敬宏， 裴文兵， 朱少平 （北京应用物理与计 算数学研究所，北京１０００９４） 摘要：介绍了辐射流体力学程序ＬＡＲＥＤ集成程序的物理背景、模型方程、数值方法和数值算例。该 程序主要应用于激光问接驱动惯性约束聚变的二维整体模拟，兼顾激光直接驱动、辐射驱动靶丸内爆过程和流 体不稳定性等物理过程的数值模拟。通过与实验数据、一维辐射流体力学程序进行比对，验证了程序的可靠 性。该程序实现了多群输运建模下ＮＩＦ点火靶的全过程数值模拟，并已应用于惯性约束聚变的物理研究。 关键词： 激光惯性约束聚变； ＬＡＲＥＤ集成程序； 黑腔； 内爆； 点火靶 中图分类号： ０３５１．２ 文献标志码： Ａ ｄｏｉ：１０．１１８８４／ＨＰＬＰＢ２０１５２７．０３２００７
激光惯性约束聚变是利用激光或激光产生的Ｘ射线作驱动源，均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶 丸外壳表面，形成高温高压等离子体，利用反冲压力，使靶的外壳极快向心运动，压缩氘氚主燃料层到几百ｇ／ ｃｍ。质量的极高密度，并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑，达到点火条件，在高温高密度热核燃料飞散之 前，进行充分的热核燃烧 ］。 激光聚变有两种不同的驱动内爆方式：直接驱动和间接驱动。所谓直接驱动就是激光束直接辐照内爆靶 球，压缩聚变燃料使其到达点火和自持燃烧条件。直接驱动可以较高地利用激光能量，同时靶构形也简单，但 是直接驱动对激光束辐照均匀性的要求很高。所谓间接驱动，顾名思义激光束不是直接辐照内爆靶球，而是将 激光束首先由激光入射口注入到由高ｚ材料组成的黑腔内壁，激光能量被黑腔内壁吸收，腔壁升温、电离，同 时辐射出大量的ｘ射线，利用这些ｘ射线驱动内爆靶球，压缩聚变燃料使其到达点火和自持燃烧条件，因此又 称为辐射驱动。间接驱动有较好的辐照均匀性，同时可以利用间接驱动黑腔产生的ｘ射线研究大量的物理问 题。 激光间接驱动中心点火靶的基本结构包括一个柱对称的、由高Ｚ物质构成的、用于将激光能量转换成Ｘ 射线能量的黑腔，和一个置于黑腔中心的、装填氘氚聚变燃料的靶丸。 根据动作的时序，可以将激光间接驱动中心点火的物理研究分为黑腔物理与靶丸内爆物理两大方面。黑 腔物理包含激光产生等离子体、激光等离子体相互作用、激光能量在等离子体中沉积、电子能量传输、Ｘ射线发 射与输运等物理过程。黑腔研究的目的是为内爆靶丸创造所要求的辐射场。靶丸物理包括辐射烧蚀、冲击波 传播、飞层加速、飞层减速、阻滞、热斑形成、聚变点火和传播燃烧等过程。 激光聚变涉及复杂的物理过程，并且不同过程具有非常不同的时空尺度。例如黑腔的尺寸为１０。ｔａｍ，全 过程时间尺度为１０。ｎｓ；激光与等离子体的非线性相互作用，需要考虑受激拉曼散射（ＳＲＳ）、受激布里渊散射 （ＳＢＳ）等物理过程，时间尺度是１０一～１０ ｎｓ，空间尺度是１０ ｔａｍ；靶丸压缩过程由于驱动源的不对称性和靶 丸粗糙度引起的Ｒａｙｌｅｉｇｈ—Ｔａｙｌｏｒ不稳定性和ＲＭ不稳定性的时空尺度为１．０～１０。ｎｓ和１Ｏ ～１０ ｔａｍ；黑腔 内初始温度为室温３×１０ Ｋ，而黑腔内的温度可以达到１Ｏ Ｋ，靶丸中心的核燃料点火后温度可高达１０。Ｋ。因 此，激光聚变是一个时间、空间、能量密度均跨越多个量级的多尺度问题，美国ＬＬＮＬ实验室、Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ实 验室都有功能强大的二维和三维辐射流体力学数值模拟程序对惯性约束聚变全过程进行精细模拟。例如二维
激光惯性约束聚变应用基础及前沿物理研修班研修手册主办单位：北京计算科学研究中心协办单位：北京应用物理与计算数学研究所中国工程物理研究院激光聚变研究中心中国工程物理研究院研究生院2023年9月北京为促使我院和国内相关领域青年研究人员尽快熟悉激光惯性约束聚变（ICF）中的关键问题及其研究方法，提升ICF相关专业技术人才的创新能力和综合素质，推动国内ICF研究领域的交流合作和协同创新，中国工程物理研究院北京计算科学研究中心（协办单位：中物院八所、九所、研究生院）拟于2023年9月15日至17日在北京举办“激光惯性约束聚变应用基础及前沿物理”研修班，主要介绍惯性约束聚变重要物理问题及其研究进展。
1. 研修时间及地点研修时间：2023年9月15-17日全天报道时间：9月14日下午14:00-17:009月15日早上 7:40-8:20研修及报到地点：北京计算科学研究中心一层第一会议室地址：北京市海淀区西北旺东路10号院东区9号楼2. 用餐地点（9月15-17日提供午餐及晚餐）午餐&晚餐地点：北京计算科学研究中心负一层食堂3. 交通路线出租车：1）北京首都国际机场：预计行驶50分钟，费用约120元2）北京大兴国际机场：预计行驶120分钟，费用约300元 3）北京火车站：预计行驶70分钟，费用约90元4）北京西站：预计行驶60分钟，费用约70元5）北京南站：预计行驶80分钟，费用约110元公交/地铁：1）北京首都国际机场：首都机场线换乘地铁13号线至清河站，乘坐495路公交车于东北旺西路北口下车，步行400米即可到达中心。
2）北京大兴国际机场：北京大兴国际机场线换乘地铁19号线至草桥站，换乘地铁10号线至知春路站，换乘地铁13号线至清河站，乘坐495路公交车于东北旺西路北口下车，步行400米即可到达中心。
3）北京火车站：地铁2号线至西直门站，换乘地铁13号线至清河站，乘坐495路公交车于东北旺西路北口下车，步行400米即可到达中心。
惯性约束核聚变知乎
惯性约束是一种实现核聚变的方法。
惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。
从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。
当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。
这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一）。
如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。
原理上虽然就这么简单，但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离需要的还差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。
第18卷第67期大自然探索V o l.18,Sum N o.671999年第1期EXPLO RA T I ON O F NA TU R E N o.1,1999惯性约束聚变能源与激光驱动器Ξ中国工程院院士中国科学院上海光学精密机械研究所研究员国家高技术863—416主题专家组成员范滇元中国科学院院士北京应用物理与计算数学研究所研究员国家高技术863—416主题专家组首席科学家贺贤土聚变能源是一种“干净的”几乎取之不尽的能源。
研究进展表明,有希望在21世纪中叶实现商业发电。
惯性约束聚变则是实现聚变能源的主要途径之一。
80年代末,美国用地下核爆的辐射能量成功地驱动惯性约束聚变,证实了这一技术路线在科学上的可行性。
90年代以来,一些国家制定了庞大的发展计划,以“点火”为目标,建造百万焦耳级的巨型激光装置。
同时,并行地开始了用于聚变能电站的驱动器研究。
我国已有30多年研究基础,现已制定跨世纪的“神光- ”计划,将在下世纪初建成10万J级的激光装置,开展相关基础物理研究。
1聚变能源是地球上的人造小太阳能源是人类赖以生存的基本条件。
据估计,到下世纪中叶前后,全世界能源消费的需求将超过传统能源的供给能力,必须开发新的能源以弥补其短缺。
聚变能源是新能源的重要候选者之一。
氢的同位素氘和氚在高温下聚合成氦核并释放出中子的过程称为“聚变”。
太阳的巨大能源即来源于聚变,而氢弹的爆炸则是地球上人为的聚变反应。
氘和锂(可产生氚在海中蕴藏量极其丰富,120kg海水可产生相当30L石油放出能量的聚变能,聚变材料可谓“取之不尽”。
如果能在人工可控条件下实现聚变反应,则可以提供几乎用之不竭的能源。
和传统能源相比,聚变燃料具有最高的比能。
然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。
自持反应要有1亿k W h左右的高温,并且参与反应的粒子密度n要足够高,能维持一定的反应时间Σ,即nΣ值要达到1014s c m3以上,这就是著名的劳逊判据。
为了实现上述条件,目前有两条技术途径:磁约束聚变(M CF和惯性约束聚变(I CF。
惯性约束聚变的基本思想是:利用激光或离子束作为驱动源,脉冲式地提供高强度能量,均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳表面形成高温高压等离子体,利・13・Ξ谨以此文缅怀惯性约束聚变研究先驱王淦昌院士用反冲压力,使靶的外壳极快向心运动,压缩氘氚主燃料层到每立方厘米几百克质量的极高密度,并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑,达到点火条件;驱动脉冲宽度为纳秒级,在高温高密度热核燃料来不及飞散之前,进行充分热核燃烧,放出大量聚变能,所以又称惯性约束聚变(I CF 。
实际上这和太阳的聚变过程相仿,只是约束高温等离子体的方式有所不同。
60年代初,我国激光聚变研究刚刚起步的时候,钱学森院士就形象地指出:你们的事业是在地球上人造一个小太阳!2惯性约束聚变的科学可行性研究走向聚变能源要历经三个里程碑阶段:(1靶物理研究:掌握I CF 各个环节的物理规律,在实验室演示点火(ign iti on 和高增益。
点火,即聚变释放能量的速率足以超过由于各种因素使氘氚等离子体冷却的速率,导致热核燃烧自持进行。
在实验室演示I CF 科学上可行性。
在此基础上进一步达到高增益。
(2聚变发电演示:建成聚变能演示反应堆及发电厂,演示工程上可行性。
(3商用:商用发电达到经济效益可以和其他能源相竞争,即经济上可行性。
惯性约束聚变研究始于60年代激光出现后不久,至今已有30年,取得了显著成效。
地下核试验证实了原理可行性,探索出了可行的科学技术途径,经过努力在实验室条件下的聚变“点火”已指日可待。
211惯性约束聚变的物理过程和驱动方式(1加热:激光(或离子束、X 光辐射照射靶丸表面形成高温高压等离子体。
(2压缩:靶丸表面高温高压等离子体向外喷射,形成的反冲压力将靶丸向心内爆压缩氘氚到极高密度(约20倍以上通常铅的密度。
高密度氘氚区形成热核燃烧波迅速扩展到整个主燃料层,释放能量大于激光能量很多倍(高增益的聚变能。
有两种方式驱动上述聚变反应。
第一种为直接驱动:激光束直接照射氘氚靶丸表面。
这种方式有较高的效率,但是为了达到高倍的压缩,要求驱动光束在4Π立体角方向极为均匀地照射靶面,均方差小于1%~2%,这是极其困难的。
第二种为间接驱动:为了避开这一难点,提出了另一种称之为“间接驱动”的照射方式。
此时激光束照射到包围靶丸的柱形空腔外壳内壁,产生X 光辐射,X 光经输运热化后再加热氘氚靶丸表面。
也可用离子束作驱动源,离子束先轰击围绕靶丸的物质,转换为X 射线,然后由X 光加热靶,从而实现间接驱动的聚变反应。
不论哪种驱动方式,对驱动器的能量和质量要求均很苛刻。
近年来,提出了一种新的点火手段,不同于上面讨论的中心点火模型,它是内爆压缩和点火分开进行的。
先是用激光压缩氘氚到极高密度,然后外加一束超短脉冲超高强度激光在等离子体中传播,产生大量超热电子(1M eV 以上,在极高密度氘氚边缘内部形成热斑点火,并扩展到整个体积。
理论研究表明,把原先的中心点火改为快点火,可以大幅度降低对驱动能量的要求,从而大幅度降低驱动器造价,因此这种方法已成为国际研究的热点。
212惯性约束聚变研究进展惯性约束聚变研究已在世界范围内取得重要进展。
美国里弗莫尔国家实验室最为先进,从1975年至今,建造了6代激光驱动器,输出功率提高了近5个量级,取得了一系列重要靶物理成果。
究竟需要多少驱动能量才能达到点火和能量增益呢?80年代末,美国实施“百人队长”计划,利用地下核爆辐射的小部分X 光作为驱动源,照射氘氚靶丸表面,成功地实现了具有近百倍能量增益的聚变反应,而且实验结果和LA SN EX 程序计算相符,从而证实了惯性约束聚变的科学可行性,也明确了・23・大自然探索1999年第1期(总第67期需要有百万焦耳级的驱动能量才能满足要求。
这一结果公布后,极大地推动了国际I CF研究。
然而在实验室研究中必须掌握激光与等离子体相互作用规律,包括激光直接或间接驱动转换成靶丸内爆能量效率及由此带来很多物理和技术问题。
所以,虽然地下核试验表明了高增益I CF的可能,但仍然需要在实验室条件下演示I CF科学上可行性。
1989年有关国家科学家聚会西班牙,发表了著名的“马德里宣言”,号召全世界科学家合作,向实验室演示点火目标前进。
1994年国际原子能署(I A EA召开的惯性约束聚变驱动器国际会议上,美国能源部官员M. Sluyter在综述报告中,形象地展示了美国的目标及各阶段计划的衔接关系。
美国“国家点火装置”(N IF的设计目标是实现点火并达到中等(5~10倍能量增益。
N IF的主要技术指标:输出能量:1・8M J,500TW(3Ξ;功率平衡:<8%r m s(2n s范围内;靶瞄准精度:<50Λm;插头效率:1%(电能到3Ξ光能高能发射次数(a:产额为1~100kJ100次产额为100~500kJ35次产额为5~10M J10次激光系统结构:激光束由192子束组成,每束口径40c m ×40c m,输出10kJ;192束分成24大路,每大路由4×2列阵组成;激光装置大厅面积200m×85m;靶场宽30m、高30m;激光束从上下方向射入真空靶室,光学元件离开球壁4m。
然而,包括N IF在内的所有装置都只能做到聚变能源的科学可行性验证,并不能成为聚变能电站。
关键在于,驱动器只能单次发射(几小时一次,而且驱动器本身的能量转换效率不高,约为1%左右。
3惯性约束聚变的工程可行性研究为实现惯性约束聚变商用能源的里程碑目标,需要满足下列4个条件:(1高增益靶输出的聚变能量比输入的驱动能量大50~100倍;(2驱动器能以5~10H z的重复率工作,插头效率达10%~30%;(3靶的成本降低到25美分左右,且年生产率达到1亿个;(4装置具有长达30年的使用寿命。
为此开展了高效率,高重复率运转的驱动器研制和聚变能电站的总体概念设计。
用于聚变能电站的候选驱动器主要有:半导体激光泵浦的新型固体激光器,氟化氪气体激光器,重离子和轻离子加速器。
下面我们以上列第一种类型的方案设计为例,说明有关的研究进展。
第一种激光器与现有装置不同之处在于:用半导体激光管代替氙灯,用作固体激光器的泵浦源;选取与之匹配的激光工作介质: Yb∶S-FA P晶体。
以此为基础,里弗莫尔实验室科学家完成了全半导体激光泵浦固体驱动器(D PSSL的聚变能电站设计。
他们在技术上详细地分析和计算了D PSSL聚变电站的方案和造价,编制了进行计算的计算机程序,得到的结果是:发电功率100万k W;电费成本每k W h电费816美分电站总造价 416B(46亿美元激光系统的3Ξ总能量4M J插头效率(从消耗电能到3Ξ激光能Γ=8.6%;靶增益:G=76,即ΓG~7・33・惯性约束聚变能源与激光驱动器4我国I CF 激光驱动器研究概况和展望1964年,我国著名核物理学家王淦昌院士独立地提出激光聚变早期思想,并提出了具体方案。
按照这一创议,在我国第一个激光专业研究所——中国科学院上海光机所开始了高功率激光驱动器的研制和应用并于1971年获得氘2氘碰撞中子。
1978年中国工程物理研究院和中国科学院携手合作,I CF 研究进入了全面发展的新阶段。
近20年来,致力于研制和应用钕玻璃激光驱动器——“神光”系列装置,取得了显著进展,推动了我国I CF 实验和理论研究,并在国际上占据了一席之地。
411“神光2 ”装置“神光2 ”装置建成于1986年。
该装置输出两束口径为200mm 的强光束,每束激光的峰功率达1012W ,脉冲宽度有1n s 和100p s 两种,波长为11053Λm 的红外光,可倍频到0153Λm 绿光。
该装置建成后连续运行8年,在前沿物理实验研究中取得一批国际先进水平的成果,主要有:①我国首次间接驱动内爆出中子实验成功;②极高压下材料状态方程的高精度测量;③类氖锗X 光激光达增益饱和并具有近衍射极限的光束质量;④复合泵浦X 光激光研究获得一系列国际首次报道的新谱线。
412“神光2 ”装置和号装置相比, 号装置规模扩大4倍,可输出8束强光,立体地照射氘氚靶丸。
红外波长的激光能量达6kJ 1n s ,并可变换到0135Λ的紫外激光。
脉冲宽度有1ns 、100p s 、20p s 和1p s 4个档次。
目前,该装置已进入总装调试阶段,计划1998年投入试运行,它将是我国“十五”期间I CF 研究的主要驱动器。
413“神光2 ”装置为了开展更深层次的I CF 物理研究(包括点火预研究以满足21世纪发展需求,制定了研制“神光2 ”装置的规划,并已完成概念设计和可行性论证。
规划中的“神光2 ”装置是一个巨型的激光系统,比当前世界最大的NOVA 装置还要大1倍多。
