惯性约束聚变能源与激光驱动器讲解

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1、第 18 卷 第 67 期 大 自 然 探 索 V o l . 18, Sum N o . 67 1999 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s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 员国家高技术 863 416聚变能源是一种 “干净的”的能源。 研究进展表明 ,80年代末 , 美国用变 , 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

2、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“聚变”。 太阳的巨 , 而氢弹的爆炸则是地 球上人为的聚变反

3、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二即n为值要 达到 1014s c m 3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

4、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 1 3S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

5、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 增益 。点火 , , 。在实验室演示 I CF 。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 ,

6、 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4n 立体角方向极为均匀地照射靶面 ,均方差小于 1

7、%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,从而,近年来,提出了一种新的,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

8、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

9、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

10、,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是、人益。N IF :1 8M J , 500TW (3E ;功率平衡：8%r m s (2n s范围内;靶瞄准精度： 50 Am ;插头效率：1%(电能到3E光能高能发射次数(a :产额为 1100kJ100次产额为 100500kJ35次产额为 510M J 10次激光系统结构 ：激光束由192子束组成,每束口径40c m x40c m ,输出10kJ ;192束分成24大路,每大路由4x2列阵组成;激光装置大厅面积200m x85m ;靶场宽 30m 、 高

11、 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 50100倍 ;(2驱动器能以510H z的重复率工作，插头效率达10%30%;(3靶的成本降低到 25,且年生产率达到 1亿个 ;(4 。 ，。用 :半导体激光泵浦的新型固体激光器

12、 ，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 3S总能量 4

13、M J插头效率(从消耗电能到3E激光能r=8. 6%;靶增益：G =76,即rG7 3 3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

14、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。输出两束口径为200mm光的峰功率达1012s 100p s , Am , 可倍频到018年,进水平的成果,主要有:我国首次间接驱动内爆出中子实验成 功；极高压下材料状态方程的高精度测量；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;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0135 A的紫外激光。脉冲 宽度有1n s、

15、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。它具有 60束强光束 ,紫外激光能量达 60kJ ,质量和精密性要达到 21世纪 的国际先进水平。我国激光驱动器研究的现状和发展前景 :现在到下世纪初, “神光”装置运行 并精密化8束,214kJ 3S;2000年前后,研制“神光2 ”装置的双路原型一2kJ 3S;2005年前后,建立“神光2 ”装置60束、60kJ 3S;2010年前后,研制 ” 装置点火装置 。神光 ,必将全面带动 ,是我国综合国 ,其作用和意义不亚于当年的“两弹” 。 这既是挑战也是机遇 ,在走向聚变能源的道路上需要几代人的不懈努力。“神光2 ”装置是多种学科、 多种技术的综合集成 ,涉及到 10个技术门类和 相关内容 ,如 :激光器件和单元技术 :激光振荡器 ,脉冲整形器 ,电光和磁光隔离 器 ,空间滤波器 ,组合式多程放大器 ,频率变换器。 激光和光学技术 :超短脉冲