慣性約束聚變激光驅(qū)動(dòng)器

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1、慣性約束聚變激光驅(qū)動(dòng)器侯擎昊3080100974背景人類的能源從根本上說(shuō)來(lái)自核聚變反應(yīng)，即發(fā)生在太陽(yáng)上的“輕核聚變”。人類已經(jīng)在地球上實(shí)現(xiàn)了不可控的熱核反應(yīng)，即氫彈爆炸。要獲得取之不盡的新能源，必須使這一反應(yīng)在可控條件下持續(xù)地進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)可控核聚變有兩種方法，一是科學(xué)家們用托卡馬克裝置開展“磁約束聚變”的研究。另一條技術(shù)路線于20世紀(jì)60年代初提出的“激光慣性約束核聚變”。原理慣性約束核聚變(InertialConfinedFusion,ICF）的基本原理是：使用強(qiáng)大的脈沖激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸上，在瞬間產(chǎn)生極高的高溫和

2、極大的壓力，被高度壓縮的稠密等離子體在擴(kuò)散之前，向外噴射而產(chǎn)生向內(nèi)聚心的反沖力，將靶丸物質(zhì)壓縮至高密度和熱核燃燒所需的高溫，并維持一定的約束時(shí)間，完成全部核聚變反應(yīng)，釋放出大量的聚變能。然而聚變反應(yīng)所要求的條件卻極為苛刻。首先要有1億度左右的高溫；其次，參與反應(yīng)的粒子密度要足夠高并能維持一定的反應(yīng)時(shí)間，即‘nτ’值要達(dá)到1百萬(wàn)億（秒/厘米3）以上，這就是著名的勞遜判據(jù)。一些國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在這類激光裝置上作了大量的基礎(chǔ)研究工作。美國(guó)、法國(guó)等已著手建造更大規(guī)模的巨型激光器，期望能夠?qū)崿F(xiàn)激光熱核“點(diǎn)火”。圖1激光核聚變裝置中，激光照

3、射靶物球芯時(shí)，輻射空腔兩端的光線情況圖2慣性約束聚變?cè)韴D3左圖是一個(gè)鍍金的NIF黑腔，右圖是一個(gè)直徑4mm的試驗(yàn)?zāi)z囊，試驗(yàn)時(shí)這個(gè)內(nèi)部充滿氘和氚的氣體的膠囊將被塞入鍍金黑腔，接受強(qiáng)激光的輻照，一旦NIF點(diǎn)火成功，發(fā)生核聚變，就會(huì)形成強(qiáng)大的能量。激光將用來(lái)壓縮上圖這樣的一個(gè)豌豆大小的氘-氚粒狀物，粒狀物被封入一個(gè)稱為“Hohlraum”的鍍金圓筒。然后將這個(gè)Hohlraum被安裝在直徑為3.2英尺的稱為黑體輻射空腔的靶室中央，192條激光束聚焦在Hohlraum上，并生成極強(qiáng)的X射線，在高溫和輻射的作用下，粒狀物將轉(zhuǎn)化為等離子體，

4、且壓力不斷升高，直至發(fā)生聚變。核聚變反應(yīng)壽命很短，大約只有百萬(wàn)分之一秒，但它釋放的能量是引發(fā)核聚變所需能量的50到100倍。在這種類型的反應(yīng)堆中，需要相繼點(diǎn)燃多個(gè)目標(biāo)，才能產(chǎn)生持續(xù)的熱量。據(jù)科學(xué)家估計(jì)，每個(gè)目標(biāo)的成本可控制在0.25美元左右，從而大大降低了核電廠的成本。激光驅(qū)動(dòng)器高功率、短脈沖激光器是最先用于聚變并有最大成就的一類驅(qū)動(dòng)器。在時(shí)間與空間上的高度集中能力與可調(diào)節(jié)的性能，以及傳輸上的方便都是激光所特有的優(yōu)點(diǎn)。最重要的激光系統(tǒng)是釹玻璃（波長(zhǎng)1.05μm），CO2（波長(zhǎng)10.6μm）,原子碘（波長(zhǎng)1.315μm）與KrF（

5、波長(zhǎng)0.248μm）等。迄今，絕大部分聚變實(shí)驗(yàn)是利用釹玻璃激光(1.05μm與其諧波0.53μm，0.35μm和0.26μm)與CO2激光完成的。這兩種激光都已有大于104J和大于1013W的輸出能力的裝置。釹玻璃激光雖效率低（<1％）、成本高且重復(fù)率低，不能作為未來(lái)聚變堆的驅(qū)動(dòng)器。然而，研究表明：較短的激光波長(zhǎng)(<1μm)能有較好的束-靶耦合、更低的超熱電子預(yù)加熱和更高的軟X射線轉(zhuǎn)換效率;且釹玻璃激光的二次與三次諧波的轉(zhuǎn)換率已可超過70％。所以，釹玻璃激光仍然是演示原理性實(shí)驗(yàn)與核爆炸模擬研究的最有效的手段。CO2激光雖效率高、

6、成本低,但波長(zhǎng)效應(yīng)仍是根本的問題。大型激光器已采取的先進(jìn)技術(shù)，包括：像傳播空間濾波技術(shù)，低非線性折射率光學(xué)材料（如磷酸鹽玻璃），準(zhǔn)連續(xù)主動(dòng)鎖模振蕩器，全電型脈沖選擇開關(guān),大孔徑片狀放大器，大孔徑高效率頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，多光束同步，光路自動(dòng)調(diào)整以及計(jì)算機(jī)控制運(yùn)行等。單束釹玻璃激光的可聚焦功率密度已超過1017W/cm2，美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的稱為“NOVA”的100kJ、100TW量級(jí)的超大型多路釹玻璃倍頻激光系統(tǒng)即將建成。圖4神光Ⅱ的高功率激光裝置進(jìn)展中國(guó)“神光”計(jì)劃神光-Ⅰ1964年,我國(guó)著名核物理學(xué)家王淦昌院士獨(dú)立地提出激光聚

7、變思想,并建議了具體方案.按照這一創(chuàng)議,在我國(guó)第一個(gè)激光專業(yè)研究所-中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所開始了高功率激光驅(qū)動(dòng)器的研制和應(yīng)用并于1971年獲得氘-氘碰撞中子.1978年中國(guó)工程物理研究院和中國(guó)科學(xué)院攜手合作,ICF研究進(jìn)入了全面發(fā)展的新階段。近廿年來(lái),致力于研制和應(yīng)用釹玻璃激光驅(qū)動(dòng)器-“神光”系列裝置,取得了顯著進(jìn)展,推動(dòng)了我國(guó)慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)和理論研究,并在國(guó)際上占有一席之地。1977年，上海光機(jī)所利用1千億瓦的6束激光系統(tǒng)裝置，對(duì)充氣玻殼靶照射獲得了近百倍的體壓縮。使我國(guó)的激光聚變研究進(jìn)入了逐級(jí)論證向心聚爆原理的重要發(fā)展階段，

8、為以后長(zhǎng)期的持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1980年，王淦昌提出建造脈沖功率為1萬(wàn)億瓦固體激光裝置的建議，稱為激光12號(hào)實(shí)驗(yàn)裝置(神光I)。激光12號(hào)實(shí)驗(yàn)裝置是建立在中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所的一臺(tái)大型高功率激光實(shí)驗(yàn)裝置，位于上海市嘉定區(qū)清河路390號(hào)光機(jī)所內(nèi)，1983年由上海