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激光核聚变装置

文章来源: 人气: 发表时间:2014-11-21 10:40:55
         激光核聚变装置是美国科学家建成拥有世界上最强大激光束的核聚变实验装置,准备探索以核聚变利用核能的可能性。 这个位于美国加州的国家激发实验装置将在2009年6月投入使用,在2010年到2012年之间产生最初的实验结果。 在这个国家实验室所进行的实验中,科学家将使用192个大型的激光束照射一个微小的氢燃料聚集,以激发这些燃料发生核聚变。

1、基本简介

       为证明核聚变的发生,科学家必须证明实验产生的能量要高于消耗的能量。在欧洲领导类似科学研究的科学家邓恩教授说,如果实验获得成功,那将是一个震撼性的事件-美国激光束聚集于核燃料。

       科学家花了12年的时间建成这个实验装置。设备负责人摩西博士说,“国家激发实验装置”的竣工是一个历史的里程碑。核聚变有可能为人类提供几乎是取之不尽用之不竭的清洁能源,是科学家长期探索的领域。把和平利用核聚变能源的物理学理论转变为工程实际,是科学家梦寐以求的目标。

        在加利福尼亚州的一个特大号“仓库”里,一台巨大的设备开始运行,将恒星的能量展现在我们面前。美国国家点火装置的成功启动,将为激光核聚变发电站的商业化应用扫清道路,也将成为世界能源危机的应对之策。虽然这是试探性的一步,但它的成功则意味着或许就将迎来一个清洁的、几乎用之不竭的能源新时代。

1999年6月吊装靶室

       美国国家点火装置(简称NIF)耗资35亿美元,建造于一个高十层楼的建筑里,占地面积有三个足球场那么大。它利用激光把固态氢靶丸转化为热核能量。如果按计划如期运转,那么这个装置将成为世界上首台产能高于耗能的设备,也将为激光核聚变电厂的商业化应用扫清道路,解除世界能源安全所面临的问题与危机。

       该装置的建造与安装调试耗时近15年,在一个庆祝成功仪式后投入使用。参加上述仪式的有美国能源部长朱棣文(Steven Chu)和美国加利福尼亚州州长阿诺德·施瓦辛格(Arnold Schwarzenegger)。后者曾表示,此装置将“彻底改变我们的能源状况”。

2、研究发展

        英国原子能管理局(UKAEA)核聚变研究中心位于英国牛津郡的卡拉姆,其助理技术指导德里克·斯托克(Derek Stork)说:“如果他们真的成功了,那就太了不起了!迄今还没有人能够实现能量的净产出。”

在装置内部,研究人员用世界上最强大的激光器产生192条激光束。

激光核聚变装置内部

       这些激光束将打在一个固态氢球形靶丸上。此过程极其短暂,仅持续五十亿分之一秒。作为燃料的氢靶丸,每一个直径只有两毫米,价值却在四万美元左右,因为它们必须是完美的球体,以保证在被激光击中后能够以理想的方式发生崩溃。强大的激光束产生强烈的冲击波,后者将以每小时100万英里的速度压碎靶丸,同时产生一亿摄氏度左右的高温。在这种原本只能发生在恒星内部的极端条件下,氢原子将发生聚变反应而生成氦原子,同时释放出大量能量。

       在未来一年左右的时间里,该装置将逐步提升至满负荷运转,但是实验将按计划进行到2040年左右。美国国家点火装置如获成功,可用于科技领域,建立第一代并网发电的示范性电厂。位于卡拉姆的英国原子能管理局已经制定了一个激光核聚变电厂的系列规划。欧洲高功率激光能源计划(the Hiper project)将用两束激光发电,原料是海水和锂,后者是一种含量丰富的元素。

       参与欧洲高功率激光能源计划的约翰·帕里斯(John Parris)说:“此计划的实施将立即改变未来世界的能源地图,一立方千米海水所包含的核聚变能量等于世界全部石油储量

       所释放能量的总和。”目前,一小部分国家控制着全球的大量石油,导致众多国家担心自身的能源安全。而欧洲高功率激光能源计划实施后,上述担心将荡然无存。

       美国国家点火装置还有一些主要的技术难点需要攻克,之后研究者们才能额手称庆。装置中央的激光器每天只能发射几次,而且需要在发射间歇更换氢靶丸。研究者期望在未来的几年里做出改进,以使得装置能够连续运转。这也许意味着,激光器每秒就可以发射10次,而且可以在半空击中落入聚变室的氢靶丸。

3、点火装置

       国家点火装置的终端光学检查系统。科学家利用世界上最强激光产生的192道光束直接照射在冰冻的氢原子珠上,激发了一次持续十亿分之五秒的猛烈爆炸。

美国国家战火装置实验室位于加利福尼亚

        国家点火装置不仅有世界上最强的激光,也有世界上最大的光学仪器。这是磷酸二氢钾(KDP)晶体,重达800磅(360千克),是激光器的主要部分。应用新的方法,生成这么一大块晶体只需要两个月时间,而传统的方法则需要两年。每块晶体被切成40平方厘米的晶片,整个国家点火装置需要600个这样的晶片。

       直径达10米的靶室于1999年6月安装,重达28.7万磅(13.7万千克)。靶室从建设到投产一共花了近15年的时间。按照计划,美国能源部部长朱棣文和加州州长阿诺·施瓦辛格将出席靶室的开启仪式。施瓦辛格曾说,这一装置将“彻底变革我们未来的能源格局”。

       在线性可替换单元(LRU)之间的激光玻璃调和板。LRU由一个大的金属框及其固定的各种类型的透镜、反射镜或玻璃组成。这些透镜或玻璃等可以轻松地安置在光束线中,也可以方便地取出进行维护。玻璃调和板LRU将安装在两个闪光灯暗盒之间,激光束穿过的时候,闪光灯暗盒点燃,从而使激光在通往靶室的过程中吸收来自特殊处理的玻璃的能量。

4、主要典型

       由于激光核聚变具有非常重要的意义,世界各国都在加紧研究,并展开激烈的竞争。这里所介绍的是国际上几种有代表性的激光核聚变装置。

托卡马克核聚变

       早期比较有希望的一种激光核聚变装置是由原苏联发明的,称为托卡玛克。同一时期,美国也在研究类似的系统。

托卡玛克具有环形结构,工作时,有20束激光同时照射填充氢同位素靶的

装置使用60年重800磅的晶体

       中心,其中10束从装置上方入射,另外10束则来自底部。要求用3万公升/分流量的水加以致冷。这属于间接驱动方式。由美国能源部投资2.84亿美元建造的类似系统从1982年开始在普林斯敦大学运转。

       80年代中期,美国劳伦斯·利物谋国家实验室建造了一个称为诺瓦的装置。诺瓦用钕玻璃固体激光的3倍频作点火光源,波长351纳米,脉冲能量45千焦,脉宽2.5纳秒(因而峰值功率为1.8×1013瓦)。该装置全长66米,靶室长30米,1.8米厚的混凝土墙壁保护工作人员免受激光冲击波的烧灼。

欧米伽与奈克

       进入90年代,美国又有两个新的激光核聚变系统投入工作。一个是罗彻斯特大学激光能量实验室发展的欧米伽升级装置,另一个是海军研究实验室的奈克设施。

       欧米伽升级装置与诺瓦相似,也采用钕玻璃激光的3倍频作为点火光源,单脉冲能量为45千焦,但其脉宽只有1纳秒,因而最大峰值功率为诺瓦装置的2.5倍,并被认为是当时世界上功率最高的器件。装置从研究、设计到建造共花费6100万美元。

        欧米伽升级装置首先将1束光分为3束,并加以放大,然后将放大后的光再作多次分束,共产生60束波长为1.054微米的近红外辐射,最后进行了倍频,得到351纳米的紫外线,它比1.054微米的红外光束更容易与靶耦合。

       奈克系统的研究者于80年代后期决定放弃钕玻璃激光器的研究,转而以氟化氪准分子激光为基础。后者具有波长更短(248纳米)、效率较高等优点,且奈克系统的研究、设计与建造的费用不到欧米伽装置的1/3。

       奈克系统中的激光束以56束多路传播和中继,并同时打到靶上。在这些光束中有44束用于靶的加速,另外12束则用作产生靶诊断的后向散射光。

核聚变实验装置

       1992年7月,克林顿总统宣布美国延期暂停核试验,同时责成能源部探索在不进行地下核试验的情况下确保美国核弹头先进、可靠和保密的其他途径。1994财政年度,国防管理法规要求能源部提交一项有关美国核武器核心知识和技术资料安全管理的计划。1994年11月,被称为“国家点火设施”的激光核聚变计划正式签发,同时得到能源部“惯性约束核聚变”顾问委员会的赞同,并于1996年的国会预算中获得0.61亿美元的拨款。

       国家点火设施计划采用192束351纳米波长的激光,总能量为1.8兆焦。诺瓦聚变激光器的诞生地——劳伦斯·利物谋国家实验室被认为是国家点火设施最合适的选址。当时计划1997年春开始建造,并希望于2002年晚些时候建成使用,总预算为10.74亿美元。

法国“太阳神”及未来计划

自1986年以来,一个被称为“太阳神”的激光核聚变装置就在法国开始运转。

        太阳神由美国劳伦斯·利物谋国家实验室工程设计,该实验室和法国里梅尔小组共同建造。因“师出同门”,系统与诺瓦颇为相似,以钕玻璃激光器为基础,3倍频后在351纳米处产生脉宽1纳秒的脉冲,但脉冲能量只有8千焦。

        1994年,法国原子能委员会和美国能源部签署了一项美法共享兆焦级激光研究成果的双边协议。1995年5月,法国政府宣布,它将在波尔多市附近建造一个自己的系统。该系统与美国的国家点火设施类似,采用波长351纳米的3倍频钕玻璃激光器,60组共240束(每组4束)激光,总脉冲能量为1.8兆焦。原计划也是1997年初开始建造,预计6~8年建成,耗资12亿美元。

中国惯性约束核聚变研究

       惯性约束核聚变研究工作的三要素是,极高功率的激光系统,激光照射目标(靶)的物理特性及诊断设备。

       中国于80年代较早时候研制成功国内当时功率最高的钕玻璃固体激光器,即被称为“神光Ⅰ号”的装置。1986年和1990年,在该装置上先后进行了直接驱动和间接驱动热核聚变实验,它标志着中国在该领域已进入世界先进行列。

       1993年,经国务院批准,惯性约束核聚变研究在国家863高技术计划中正式立项。从而推动了中国这一领域工作在上述三个方面更迅速地发展。首先表现在,由中国科学院和中国工程物理研究院联合研制的功率更高的神光Ⅱ号固体激光器问世,它在国际上首次采用多项先进技术,将成为我国第九个和第十个五年计划期间进行惯性约束核聚变研究的主要驱动装置。与此同时,曾为中国在这一领域的研究与发展立下汗马功劳的神光Ⅰ号于1994年光荣退役;另一方面,比神光Ⅱ号技术更先进、规模更大的新一代固体激光器的设计工作已经开始,有关的多项单元技术已取得显著进展,一些重要技术达到国际水平。此外,作为另一种可能的驱动源,氟化氪准分子激光器的研究也取得重大进展。

       在靶物理研究方面,建立了很多理论模型,进行了大量数值模拟,在神光装置和星光装置上所进行的物理基础研究,对激光与靶耦合、辐射场与高温高压等离子体特性、内爆动力学和流体力学不稳定性、热核点火和增益燃烧等物理规律进行了系统研究,获得了对靶物理规律较系统和深入的认识。

       诊断设备方面,在原有基础上积极研制、开发和引进一批高精度的仪器,对物理测量起到了十分重要的作用。

       可以期望,中国激光领域的广大科技工作者将发扬艰苦奋斗的精神,最终实现惯性约束核聚变的点火燃烧,建成聚变核电站,为中国经济发展和人民生活提供最理想的能源。

日本的“新激光Ⅻ”和拍瓦项目

日本目前正在运转的有代表性的装置是大阪大学激光核聚变研究中心建造的“新激光Ⅻ”系统。

       随着最近拍瓦(l拍瓦=10 15瓦)激光器的迅速发展,该中心正在研究一种“高速点火”方法,其目标是力争在21世纪初实现点火、燃烧和高增益化。

5、主要用途

研制新型氢弹变身“常规武器”

       激光核聚变除了可生产取之不尽的清洁能源外,在军事上还可用于发展新型核武,特别是研制新型氢弹,同时亦可部分代替核试验。因为通过高能激光代替原子弹作为氢弹点火装置实现的核聚变反应,可以产生与氢弹爆炸同样的等离子体条件,为核武设计提供物理学资料,进而制造出新型核武,成为战争新“杀手”。

       早在20世纪50年代,氢弹便已研制成功并投入使用。但氢弹均是以原子弹作为点火装置。原子弹爆炸会产生大量放射性物质,所以这类氢弹被称为“不干净的氢弹”。

       采用激光作为点火源后,高能激光直接促使氘氚发生热核聚变反应。这样,氢弹爆炸后,就不会产生放射性裂变物,所以,人们称利用激光核聚变方法制造的氢弹为“干净的氢弹”。传统的氢弹属于第2代核武,而“干净氢弹”则属于第4代核武器,不受《全面禁止核子试验条约》的限制。由于不会产生剩余核辐射,因此可作为“常规武器”使用。

美法日“人造太阳”

       美国仍居世界领先地位,不仅拥有世界上最大的“诺瓦”激光器、世界上功率最大的“X射线模拟器”和“国家点火装置”。

        法国激光核聚变研究以军事化为主要目标,确保法国TN-75和TN-81核弹头能处于良好状态。早在1996年,法国原子能委员会便与美国合作进行一项庞大的“兆焦激光计划”

小小核聚变燃料舱将释放巨大的能量

        预计2010年前完成,经费预算达17亿美元。其主要设施240台激光发生器可在20纳秒内产生180万焦耳能量,产生240束激光。

       日本1998年,日本成功研制核聚变反应堆上部螺旋线圈装置和高达15米的复杂真空头,标志着日本已突破建造大型核聚变实验反应堆的技术难点。

核聚变

       与核裂变依靠原子核分裂释放能量不同,聚变由较轻原子核聚合成较重原子核释放能量,常见的是由氢的同位素氘与氚聚合成氦释放能量。与核裂变相比,核聚变能储量更丰富,几乎用之不竭,且干净安全,不过操作难度巨大。

       当星体内部存在巨大压力,核聚变能在约1000万摄氏度的高温下完成,然而,在压力小很多的地球,核聚变所需温度达到1亿摄氏度。“国家点火装置”将寄望通过汇聚大功率激光束实现这一高温。能否在核聚变过程中实现“能量收益”是问题的关键。之前有试验实现过核聚变,但未能使核聚变释放的能量超过试验所需能量。 


文章来自:汉牛激光


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