慣性約束聚變能源與激光驅(qū)動(dòng)器講解

1、第18卷第67期大自然探索V o I . 18, Sum N o . 671999年第1期EXPLO RA T I ON O F NA TU R E N o . 1, 1999慣性約束聚變能源與激光驅(qū) 動(dòng)器S中國(guó)工程院院士中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員國(guó)家高技術(shù)863 416主題專家組成員范滇元中國(guó)科學(xué)院院 士北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所研員國(guó)家高技術(shù)863 416聚變能源是一種干凈的的能源。研究進(jìn)展表明，80年代末,美國(guó)用變,證實(shí)了這一技術(shù)路線在科學(xué)上的可行性。90年代以來(lái)，一些國(guó)家制定了龐大的發(fā)展計(jì) 劃，以 點(diǎn)火”為目標(biāo)，建造百萬(wàn)焦耳級(jí)的巨型 激光裝置。同時(shí)，并 行地開(kāi)始了用于聚變

2、能電 站的驅(qū)動(dòng)器研究。我國(guó)已有30多年研究基礎(chǔ),現(xiàn)已制 定跨世紀(jì)的 神光-”計(jì)劃，將在下世紀(jì)初建成10萬(wàn)J級(jí)的激光裝置，開(kāi)展相 關(guān)基 礎(chǔ)物理研究。1聚變能源是地球上的人造小太陽(yáng)能源是人類賴以生存的基本條件。據(jù)估計(jì)，到下世紀(jì)中葉前后，全世界能源 消費(fèi)的需求將超過(guò)傳統(tǒng)能源的供給能力，必須開(kāi)發(fā)新的能源以彌補(bǔ)其短缺。聚變 能源是新能源的重要候選者之一。氫的同位素氘和氚在高溫下聚合成氦核聚變”。太陽(yáng)的巨，而氫彈的爆炸則是地 球上人為的聚變反應(yīng)。氘和鋰（可 產(chǎn)生氚在海中蘊(yùn)藏量極其豐富，120kg海水可產(chǎn)生相 當(dāng)30L石油放出能量的聚變 能，聚變材料可 謂 取之不盡”。如果能在人工可控條件下實(shí) 現(xiàn)聚變反應(yīng)，

3、則可以 提供幾乎用之不竭的能 源。和傳統(tǒng)能源相比，聚變?nèi)剂暇哂凶罡叩谋?能。然而聚變反應(yīng)所要求的條件卻極為苛 刻。自持反應(yīng)要有1億kWh左右的高 溫，并且參與反應(yīng)的粒子密度n要足夠高，能維持一定的反應(yīng)時(shí)間 工即n 2值要 達(dá)到1014s c m 3以上，這就是著名的勞遜判據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)上述條件，目前有兩條技術(shù)途 徑：磁約束聚變（M CF和慣性約束 聚變（I CF。慣性約束聚變的基本思想是：利用激光或離子束作為驅(qū)動(dòng)源，脈沖式地提供高 強(qiáng)度能量，均勻地作用于裝填氘氚燃料的微型球狀靶丸外殼表面形成高溫高壓等 離子體，利? 1 3?E謹(jǐn)以此文緬懷慣性約束聚變研究先驅(qū)王淦昌院士用反沖壓力，使靶的外殼極快向

4、心運(yùn)動(dòng)，壓縮氘氚主燃料層到每立方厘米幾百克質(zhì)量的極 高密度，并使局部氘氚區(qū)域形成高溫高密度 熱斑，達(dá)到點(diǎn)火條件；驅(qū)動(dòng) 脈沖寬度為納秒級(jí)，在高溫高密度熱核燃料來(lái)不及飛散之前，進(jìn)行充分熱核燃燒， 放出大量聚變能，所以又稱慣性約束聚變(I CF。實(shí)際上這和太陽(yáng)的聚變過(guò)程相 仿，只是約束高溫等離子體的方 式有所不同。60年代初，我國(guó)激光聚變研究 剛剛 起步的時(shí)候，錢學(xué)森院士就形象地指出：你們的事業(yè)是在地球上人造一個(gè)小太陽(yáng)！ 2 慣性約束聚變的科學(xué)可行性研究走向聚變能源要?dú)v經(jīng)三個(gè)里程碑階段:(1靶物理研究：掌握I CF各個(gè)環(huán)節(jié)的 物 理規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室演示點(diǎn)火(ign iti on增益。點(diǎn)火,。在實(shí)驗(yàn)室演

5、示I CF。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步達(dá)到咼增 益。(2聚變發(fā)電演示：建成聚變能演示反應(yīng) 堆及發(fā)電廠，演示工程上可行性。(3商用:商用發(fā)電達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益可以和其他能源相競(jìng)爭(zhēng)，即經(jīng)濟(jì)上可行性。慣性約束聚變研究始于60年代激光出 現(xiàn)后不久,至今已有30年,取得了顯著 成效。地下核試驗(yàn)證實(shí)了原理可行性，探索出了可行的科學(xué)技術(shù)途徑，經(jīng)過(guò)努力 在實(shí)驗(yàn)室條件 下的聚變 點(diǎn)火”已指日可待。211慣性約束聚變的物理過(guò)程和驅(qū)動(dòng)方式(1加熱:激光(或離子束、X光輻射 照射靶丸表面形成高溫高壓等離子體 。(2壓縮：靶丸表面高溫高壓等離子體向 外噴射，形成的反沖壓力將靶丸向心內(nèi)爆壓縮氘氚到極高密度(約20倍以上通常鉛的密 度。高

6、密度氘氚區(qū)形成熱核燃 燒波迅速擴(kuò)展到整個(gè)主燃料層，釋放能量大于激光能量很 多倍(高增益的聚變 能。有兩種方式驅(qū)動(dòng)上述聚變反應(yīng)。第一種為直接驅(qū)動(dòng)：激光束直接照射氘氚靶丸表面。這種方式有較高的效率，但是為了達(dá)到高倍 的壓縮，要求驅(qū)動(dòng)光束在4n 立體角方向極為 均勻地照射靶面，均方差小于1%2%,這是極其困難的。第二種 為間接驅(qū)動(dòng)：為了避開(kāi) 這一難點(diǎn)，提出了另一種稱之為 間接驅(qū)動(dòng)”的照射方式。此時(shí)激光束照射到包圍靶丸的 柱形空腔外殼內(nèi)壁，產(chǎn)生X光輻射，X光經(jīng)輸運(yùn)熱 化后再加熱氘氚靶丸表面。也可用離子束作驅(qū)動(dòng)源，離子束先轟擊圍繞靶丸的物 質(zhì)，轉(zhuǎn)換為X射線,從而，近年來(lái)，提出了一種新的，不同于上面討論的

7、中心點(diǎn)火 模型，它是內(nèi)爆壓縮和點(diǎn)火分開(kāi)進(jìn)行的。先是用激光壓縮氘氚到極高密度，然后 外加一束超短 脈沖超高強(qiáng)度激光在等離子體中傳播，產(chǎn)生大量超熱電子（1M eV以 上,在極高密度氘 氚邊緣內(nèi)部形成熱斑點(diǎn)火，并擴(kuò)展到整個(gè)體 積。理論研究表明 把原先的中心點(diǎn)火改為快 點(diǎn)火，可以大幅度降低對(duì)驅(qū)動(dòng)能量的要求，從而大幅度降 低驅(qū)動(dòng)器造價(jià)，因此這種方法已 成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)。212慣性約束聚變研究進(jìn)展慣性約束聚變研究已在世界范圍內(nèi)取得重要進(jìn)展。美國(guó)里弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 最為先 進(jìn),從1975年至今,建造了 6代激光驅(qū)動(dòng)器,輸出功率提高了近5個(gè)量級(jí), 取得了一系列重要靶物理成果。究竟需要多少驅(qū)動(dòng)能量才能達(dá)到點(diǎn)火

8、和 能量增益呢？ 80年代末，美國(guó)實(shí)施 百 人隊(duì)長(zhǎng)”計(jì)劃,利用地下核爆輻射的小部分 X光作為驅(qū)動(dòng)源，照射氘氚靶丸表面, 成功地實(shí)現(xiàn)了具有近百倍能量增益的聚變反應(yīng),而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果和LA SN EX程序 計(jì)算相符，從而證實(shí)了慣性約束聚變的科學(xué)可行性，也明確了23?大自然探索1999年第1期（總第67期需要有百萬(wàn)焦耳級(jí)的驅(qū)動(dòng)能量才能滿足要求。這一結(jié)果公布后，極大地推動(dòng)了國(guó)際I CF研究。然而在實(shí)驗(yàn)室研究中必須掌 握激光與等離子體相互作用規(guī)律，包括激光直接或間接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換成靶丸內(nèi)爆能量 效率及由此帶來(lái)很多物理和技術(shù)問(wèn)題。所以，雖然地下核試驗(yàn)表明了高增益I CF 的可能，但仍然需要 在實(shí)驗(yàn)室條件下演示I C

9、F科學(xué)上可行性。1989年有關(guān)國(guó)家 科學(xué)家聚會(huì)西班牙，發(fā)表了著名的 馬德里宣言”號(hào)召全世界科學(xué)家合 作，向?qū)嶒?yàn) 室演示點(diǎn)火目標(biāo)前進(jìn)。1994年國(guó)際原子能署（I A EA召開(kāi)的慣性約束聚變驅(qū)動(dòng) 器國(guó)際會(huì)議上，美國(guó)能源部官員M . Sluyter在綜述報(bào)告中，形象地展示了美 國(guó)的目標(biāo)及各階段計(jì)劃的銜接關(guān)系。美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置” (N是益。N IF :1? 8M J , 500TW (3 砌率平衡：8%r m s (2ns范圍內(nèi)；靶瞄準(zhǔn)精度： 85m ;靶場(chǎng)寬30m、高30m ;激光束從上下方向射入真空靶室，光學(xué)元件離開(kāi)球壁4m然而，包括N IF在內(nèi)的所有裝置都只能 做到聚變能源的科學(xué)可行性驗(yàn)證，并

10、不能成為聚變能電站。關(guān)鍵在于，驅(qū)動(dòng)器只能單次發(fā)射(幾小時(shí)一次，而且驅(qū)動(dòng) 器本身的能量轉(zhuǎn)換效率不高，約為1%左右。3慣性約束聚變的工程可行性研究為實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變商用能源的里程碑目標(biāo)，需要滿足下列4個(gè)條件：(1高增益靶輸出的聚變能量比輸入的 驅(qū)動(dòng)能量大50100倍；(2驅(qū)動(dòng)器能以510H z的重復(fù)率工 作，插頭效率達(dá)10%30%;(3靶的成本降低到25,且年生產(chǎn)率達(dá)到1億個(gè)；(4 o ,0用:半導(dǎo)體激光泵浦的新型固體激光器，氟化氪氣體激光器，重離子和輕離 子加速器。下面我們以上列第一種類型的方案設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明有關(guān)的研究進(jìn)展。第一種激光器與現(xiàn)有裝置不同之處在于：用半導(dǎo)體激光管代替氙燈，用作固體 激

11、光器的泵浦源；選取與之匹配的激光工作介質(zhì)：Yb : S -FA P晶體。以此為基 礎(chǔ)，里弗莫爾 實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家完成了全半導(dǎo)體激光泵浦固體 驅(qū)動(dòng)器(D PSSL的聚變 能電站設(shè)計(jì)。他們?cè)?技術(shù)上詳細(xì)地分析和計(jì)算了 D PSSL聚變電站的方案和造價(jià) 編制了進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算機(jī)程序，得到的結(jié)果是：發(fā)電功率 100萬(wàn)k W ;電費(fèi)成本 每k W h電費(fèi)816美分電站總造價(jià)416B (46億美元 激光系統(tǒng)的3E總能量 4M J插頭效率(從消耗電能到3E激光能r =8. 6%;靶增益：G =76,即r G 73 3?慣性約束聚變能源與激光驅(qū)動(dòng)器4我國(guó)I CF激光驅(qū)動(dòng)器研究概況和展望1964年,我國(guó)著名核物理學(xué)家

12、王淦昌院士獨(dú)立地提出激光聚變?cè)缙谒枷?，并提出了具體方案。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(kāi)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2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,I CF研究進(jìn)入了全面發(fā)展的新階段。近20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)ICF實(shí)驗(yàn)和理論研究，并在國(guó)際上占據(jù)了 一席之地。411 神光2 ”裝置神光2 ” 裝置建成于1986年。輸出兩束口徑為 200mm光的峰功率達(dá)1012s 100p s , Am , 可倍頻到018年，進(jìn)水平的成果，主要有：我國(guó)首

13、次間接驅(qū)動(dòng) 內(nèi)爆出中子實(shí)驗(yàn)成 功；極高壓下材料狀態(tài) 方程的高精度測(cè)量；類氖鍺X光激光達(dá)增 益飽和并具 有近衍射極限的光束質(zhì)量；復(fù)合泵浦X光激光研究獲得一系列國(guó)際首次 報(bào)道的 新譜線。412 神光2 ”裝置和號(hào)裝置相比，號(hào)裝置規(guī)模擴(kuò)大4倍,可輸出8束強(qiáng)光，立體地照射氘氚靶 丸。紅外波長(zhǎng)的激光能量達(dá)6kJ 1n s，并可變換 到0135A的紫外激光。脈沖 寬度有1n s、100p s、20p s和1p s 4個(gè)檔次。目前，該裝置已進(jìn)入總裝調(diào)試階 段，計(jì)劃1998年投入試運(yùn) 行，它將是我國(guó) 十五”期間I CF研究的主要 驅(qū)動(dòng)器。 413 神光2 ”裝置為了開(kāi)展更深層次的I CF物理研究（包括點(diǎn)火預(yù)研

14、究 以滿足21世紀(jì)發(fā)展需 求，制定了研制 神光2 ”裝置的規(guī)劃，并已完成概 念設(shè)計(jì)和可行性論證。規(guī)劃中 的 神光2 ”裝置是一個(gè)巨型的激光系統(tǒng)，比當(dāng)前世界最大 的NOVA裝置還要大1 倍多。它具有60束強(qiáng)光束，紫外激光能量達(dá)60kJ ,質(zhì)量和精密性要達(dá)到21世紀(jì) 的國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)激光驅(qū)動(dòng)器研究的現(xiàn)狀和發(fā)展前 景：現(xiàn)在到下世紀(jì)初，神光”裝置運(yùn)行 并精密化 8束,214kJ 3日2000年前后,研制 神光2 ”裝置的雙路原型一 2kJ 3日2005年前后,建立 神光2 ”裝置60束、60kJ 3 32010年前后,研制”裝置點(diǎn)火裝置。神光，必將全面帶動(dòng)，是我國(guó)綜合國(guó)，其作用和意義 不亞于當(dāng)年的

15、 兩彈”。 這既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，在走向聚變能源的道路上需要幾代人的不懈努力。神光2 ”裝置是多種學(xué)科、多種技術(shù)的綜合集成，涉及到10個(gè)技術(shù)門類和 相關(guān)內(nèi)容，如：激光器件和單元技術(shù)：激光振蕩器，脈沖整形器，電光和磁光隔離 器，空間濾波器,組合式多程放大器，頻率變換器。激光和光學(xué)技術(shù)：超短脈沖 激光技術(shù)，光纖和集成光學(xué)技術(shù)，半導(dǎo)體二極管泵浦技術(shù)，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，二元 光學(xué)技術(shù)等。光學(xué)元件：高光學(xué)質(zhì)量（? n 10-6量級(jí)、高破壞負(fù)載（1518J c m 2、大尺度（350mm 350mm或更大的釹玻璃、光學(xué)玻璃、石英玻璃、非線 性晶體等材料，及若干特種功能材料。光學(xué)薄膜：與光學(xué)材料匹配的大口徑、

16、高負(fù)載、多波長(zhǎng)和多種功能的光學(xué)薄膜，如增透膜、高反膜、分光膜和偏振膜 等，除采用真空鍍膜工藝外，還將大力發(fā)展和應(yīng)用So Igel鍍膜技術(shù)。精密 光學(xué) 冷加工和檢測(cè)：大口徑、1 10波長(zhǎng)平度、015mm表面粗糙度的光學(xué)冷加工和相應(yīng) 的檢測(cè)手段,以及對(duì)大口徑晶體材料（如KD P43?大自然探索1999年第1期（總第67期的金剛石車床切削加工，建立和完善相應(yīng)的檢測(cè)手段，如移相式干涉儀、哈 特曼波面測(cè)量?jī)x、計(jì)算全息波面實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x、粗糙度測(cè)量?jī)x等。高精度診斷 和測(cè)量（超快時(shí)間、大口徑 空間、寬光譜、高能量：具有微米級(jí)空間分辨 率的 焦斑測(cè)量、具有皮秒級(jí)時(shí)間分辨率的脈沖測(cè)量、2%精度的紫外光能量測(cè)量、 時(shí)

17、間分辨的光譜測(cè)量、動(dòng)態(tài)范圍達(dá)4個(gè)量級(jí)以上的光強(qiáng)分布測(cè)量等。電工技 術(shù):激光器的電源 是一個(gè)龐大的電工系統(tǒng)，工作方式是單次儲(chǔ) 能和脈沖放電，儲(chǔ)能 能量（電能約30M J ;以閃光燈（氙燈為負(fù)載放電,脈沖寬度一般為0152m s ;并 行的放電路數(shù)約為2000路；多路放電的時(shí)間同步精度要求510 A s ; 一般用電容器作為儲(chǔ)能元件,充電電壓重復(fù)精度 要求0105%0101%,充電電壓 25kV ,放電的峰值電流約10kA。為此 止強(qiáng)電干擾，每個(gè)激光束,最后60個(gè)花束 以極高精度聚焦到微型聚變靶丸 上，瞄準(zhǔn)精度為115左右。因此對(duì)整個(gè)系統(tǒng) 的 機(jī)械結(jié)構(gòu)都有嚴(yán)格的要求，尤其是對(duì)靶場(chǎng)系統(tǒng)的要求。初步估

18、計(jì)，在靶場(chǎng)中約需 250臺(tái)口徑為500mm的伺服反射鏡，而且要以不 同的角度分布安放在20m高的桁 架上，反射鏡和桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和調(diào)整精度都要滿足秒級(jí)要求，難度是很大的。此外，I CF靶室還 是一個(gè)大型的真空系統(tǒng),最大容積約60m 3,真空度要求10-6乇（空腔時(shí)。將從傳統(tǒng)的分子泵、離子泵發(fā)展到高抽速的低溫冷凝吸附泵。不論何種類型的真空泵，都要求盡可能低的振動(dòng)，以免影響光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的精度。計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)：光路自動(dòng)準(zhǔn)直和靶瞄準(zhǔn)，多媒體運(yùn)行指揮系統(tǒng)，仿真模擬技術(shù)，以圖像為主的數(shù)據(jù)采 集和處理；第三代計(jì)算機(jī)輔助設(shè) 計(jì)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境工程（地基、建筑、潔凈，恒溫、低溫度：主實(shí)驗(yàn)室的使用面積約在1萬(wàn)m 2以上,要求恒溫到012015C ;相對(duì)濕度 小于50%（最好小于40% ;潔凈度分別為100 級(jí)、1000 級(jí)和 10000 級(jí)；,振幅要小于幾微米等等。,才能同，這無(wú)疑將大大推動(dòng) 技術(shù)進(jìn)步，向國(guó)際先進(jìn)水