點燃“人造太陽”的曙光

1、點燃“人造太陽”的曙光    2012年3月15日，在美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗，世界最大激光器、被稱為“人造太陽”的國家點火裝置（National Ignition Facility，簡稱NIF）進(jìn)行了一項超級激光實驗。實驗過程中，裝置所釋放出的192束激光，在230億分之一秒的時間內(nèi)，產(chǎn)生出1.875兆焦耳的能量。激光束在經(jīng)過一系列透鏡聚焦后，形成2.03兆焦耳的沖擊波。 這束堪稱史上最強的激光在一舉打破紀(jì)錄的同時，也成為世界上首個2兆焦能量的紫外激光。國家點火裝置負(fù)責(zé)人強調(diào)：“這是一次不尋常的激光演示，顯示了國家點火裝置的能量、精度、功率和可用性。

2、實驗結(jié)果令人振奮，這是人類可控核聚變研究的一個新的里程碑。” 國家點火裝置的前世今生 1992年7月，克林頓總統(tǒng)宣布美國延期暫停核試驗，同時責(zé)成能源部探索在不進(jìn)行地下核試驗的情況下確保美國核彈頭先進(jìn)、可靠和保密的其他途徑。 1994財政年度，能源部提交一項有關(guān)美國核武器核心知識和技術(shù)資料安全管理的計劃。1994年11月，被稱為“國家點火裝置”的激光核聚變計劃正式簽發(fā)，同時得到能源部“慣性約束核聚變”顧問委員會的贊同。 1996年，國家點火裝置在國會預(yù)算中獲得0.61億美元的撥款。1997年，美國國家點火裝置建造工作動工。這項軍民兩用的高能激光核聚變研究工程計劃總投資為22億美元，但由于問題諸多

3、，進(jìn)展速度一直緩慢。同時，因為參雜了與核武器相關(guān)的實驗，而招致多方批評。到目前為止，國家點火裝置已經(jīng)耗資近40億美元。 2010年10月，國家點火裝置完成了其首次綜合“點火”實驗，激光系統(tǒng)向低溫靶室發(fā)射了1兆焦激光能量，這已經(jīng)是當(dāng)時世界第二大的羅切斯特大學(xué)激光實驗?zāi)芰康?0倍之多。而近日，其再次打破了自己的紀(jì)錄。據(jù)國家點火裝置負(fù)責(zé)人摩西介紹，2.03兆焦的激光在經(jīng)過光學(xué)損耗后，射于靶室正中心的為1.875兆焦，激光部件的損壞小于模型測試，且激光器在36小時之后又可以再次發(fā)射出創(chuàng)紀(jì)錄的一擊。不過，本次實驗只為證明性測試，目標(biāo)靶室是空的。但究其意義，仍不失為聚變能源探索之路上的一座里程碑。 國家點

4、火裝置的三大核心任務(wù) 美國國家點火裝置是世界上最強大的激光核聚變研究設(shè)備之一，它的目的是實現(xiàn)可控核聚變，人們常常稱之為“人造太陽”。國家點火裝置先期研制的主要支持力量來自軍方的核武器項目，它的任務(wù)有以下3項。 第一個任務(wù)是保證美國的能源安全?？茖W(xué)家希望借助國家點火裝置，來制造    類似太陽內(nèi)部的可控氫核聚變反應(yīng)，最終有望讓人類于實驗室里取得核聚變能源。 第二個任務(wù)是揭示宇宙的秘密。宇宙中恒星的內(nèi)部壓力可能會比地球中心的壓力高1000倍，以前在實驗室中沒有條件做這方面的模擬試驗，但國家點火裝置可以模擬超新星、黑洞邊界、恒星和巨大行星內(nèi)核的環(huán)境，進(jìn)行科學(xué)試

5、驗。 第三個任務(wù)是用它來模擬核爆炸。這也是美國建設(shè)國家點火裝置的初衷，即作為美國核武器儲備管理計劃的一部分，保證美國在無需核試驗的情況下，可以研究核武器的性能，保持核威懾力。 龐大而又復(fù)雜的巨型光學(xué)系統(tǒng) 國家點火裝置是一棟10層樓高的建筑物，長215米，寬120米，其面積相當(dāng)于3個足球場。這是目前世界上最大和最復(fù)雜的激光光學(xué)系統(tǒng)，它將模擬同太陽和其他恒星內(nèi)部相似的條件，使氫原子核發(fā)生聚變形成氦核，并釋放能量，其目的是成為第一個突破平衡點的設(shè)施，即激光在聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量大于它們所消耗的能量，從而在實驗室條件下實現(xiàn)人類歷史上的第一次聚變點火。 這是一項龐大而又復(fù)雜的巨型光學(xué)工程。整套國家點火裝

6、置要運作，必須啟動60000具各種高科技裝置。其主光路分為6個部分，分別是主激光系統(tǒng)、光束控制系統(tǒng)、激光注入系統(tǒng)、光脈沖發(fā)生系統(tǒng)、光開關(guān)區(qū)域以及終端光束會聚系統(tǒng)。裝置內(nèi)部設(shè)有130噸重的目標(biāo)靶室，這是裝置最核心的部分。靶室里的中心孔洞直徑達(dá)10米，用30厘米厚的混凝土掩埋，旁邊有激光器向其中發(fā)射激光，并促使包含氘和氚氣體的目標(biāo)靶丸產(chǎn)生極大的高溫和高壓。“點火”實驗時，這個靶室的條件將接近或達(dá)到太陽內(nèi)部核聚變反應(yīng)時的條件。 美國國家點火裝置的真正“點火”過程為：先將外部激光增強10000倍，然后將一束激光分離為48束激光；再增強，進(jìn)一步分離為192束激光，其總能量增加到原來能量的3000萬億倍；

7、再聚焦到直徑為3毫米的氘氚燃料靶丸上，產(chǎn)生1億度的高溫，壓力超過1000億個大氣壓，進(jìn)而引發(fā)核聚變。氫彈爆炸和太陽核心會發(fā)生這類反應(yīng)。 國家點火裝置控制室有一套十分先進(jìn)的電腦自動控制系統(tǒng)，它模仿了休斯敦美國宇航局的任務(wù)控制中心，被稱為史上科學(xué)儀器設(shè)計最復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)之一。如同驚險的交響樂團(tuán)一樣，要讓192束激光在十億分之一秒同時發(fā)射擊中豌豆粒大小的燃料靶丸。誤差不能超過30皮秒（1皮等于1萬億分之一）。專家們形象的比喻，國家點火裝置的準(zhǔn)確度，必須像在舊金山投球射中560公里外的洛杉磯的一個籃框。要達(dá)到這準(zhǔn)確度，國家點火裝置的激光裝置至關(guān)重要，整套設(shè)備必須零震動和零熱漲冷縮。所有機(jī)械都追求完

8、美，許多10噸重的設(shè)備必須安放在100微米的    誤差范圍內(nèi)。 國家點火裝置的新能源之夢 國家點火裝置的核心技術(shù)是核聚變。通俗一點說，核聚變就是兩個輕的原子核相碰，形成一個重的原子核并釋放出能量的核反應(yīng)。只有較輕的原子核才能發(fā)生聚變，比如氫的同位素氘、氚等，但核聚變釋放的能量卻比核裂變更大。比原子彈威力更大的核武器氫彈，就是核聚變反應(yīng)。在自然界，太陽的內(nèi)部連續(xù)不斷地進(jìn)行著氫聚變成氦過程，太陽產(chǎn)生的光和熱就是由核聚變帶來的。現(xiàn)在，人們只能在氫彈爆炸的一瞬間實現(xiàn)非受控的人工核聚變。而要能為人類服務(wù)，就必須使核聚變在人為控制下進(jìn)行，掌握核聚變的速度和規(guī)模，實

9、現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。這就是受控核聚變。 受控核聚變前景誘人。不僅僅因為能量的產(chǎn)生，而且由于核聚變所需的原料氘可以從海水中提取。據(jù)測算，每升海水中含有0.03克氘，地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經(jīng)過核聚變可提供相當(dāng)于300升汽油燃燒后釋放出的能量。按目前世界能量的消耗率估計，地球上蘊藏的核聚變能可用100億年以上。這意味著，這種核聚變過程一旦被駕馭，人類將獲得一個取之不盡的清潔能源。 50多年來對熱核聚變的研究，不外乎沿著“磁約束”和“慣性約束”兩大途徑進(jìn)行。 “磁約束”是利用強磁場可以很好地約束帶電粒子這個特性，構(gòu)造一個特殊的磁容器，建成聚變反應(yīng)堆。在聚變反應(yīng)堆中，將聚變材料加熱至數(shù)億攝氏度高溫，實現(xiàn)聚變反應(yīng)。 “慣性約束”與磁約束不同，實際上對等離子體不加約束。而是利用粒子的慣性，在它們來不及跑散之前就發(fā)生聚變反應(yīng)，以取得足夠的能量。氫彈爆炸就是采用了慣性約束，不過氫彈是靠原子彈引爆的，而人類目前還無法加以控制，于是就改用其他高功率物質(zhì)（如激光、電子束、離子束）來轟擊一顆顆微小的氘氚燃料丸，將它極其快速地壓縮和加熱，這實際上是