激光核聚變裝置是美國科學(xué)家建成擁有世界上最強(qiáng)大激光束的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，準(zhǔn)備探索以核聚變利用核能的可能性。 這個(gè)位于美國加州的國家激發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置將在2009年6月投入使用，在2010年到2012年之間產(chǎn)生最初的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 在這個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家將使用192個(gè)大型的激光束照射一個(gè)微小的氫燃料聚集，以激發(fā)這些燃料發(fā)生核聚變。

1、基本簡介

為證明核聚變的發(fā)生，科學(xué)家必須證明實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的能量要高于消耗的能量。在歐洲領(lǐng)導(dǎo)類似科學(xué)研究的科學(xué)家鄧恩教授說，如果實(shí)驗(yàn)獲得成功，那將是一個(gè)震撼性的事件-美國激光束聚集于核燃料。

科學(xué)家花了12年的時(shí)間建成這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。設(shè)備負(fù)責(zé)人摩西博士說，“國家激發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置”的竣工是一個(gè)歷史的里程碑。核聚變有可能為人類提供幾乎是取之不盡用之不竭的清潔能源，是科學(xué)家長期探索的領(lǐng)域。把和平利用核聚變能源的物理學(xué)理論轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ虒?shí)際，是科學(xué)家夢寐以求的目標(biāo)。

在加利福尼亞州的一個(gè)特大號“倉庫”里，一臺巨大的設(shè)備開始運(yùn)行，將恒星的能量展現(xiàn)在我們面前。美國國家點(diǎn)火裝置的成功啟動，將為激光核聚變發(fā)電站的商業(yè)化應(yīng)用掃清道路，也將成為世界能源危機(jī)的應(yīng)對之策。雖然這是試探性的一步，但它的成功則意味著或許就將迎來一個(gè)清潔的、幾乎用之不竭的能源新時(shí)代。

  1999年6月吊裝靶室

1999年6月吊裝靶室

美國國家點(diǎn)火裝置（簡稱NIF）耗資35億美元，建造于一個(gè)高十層樓的建筑里，占地面積有三個(gè)足球場那么大。它利用激光把固態(tài)氫靶丸轉(zhuǎn)化為熱核能量。如果按計(jì)劃如期運(yùn)轉(zhuǎn)，那么這個(gè)裝置將成為世界上首臺產(chǎn)能高于耗能的設(shè)備，也將為激光核聚變電廠的商業(yè)化應(yīng)用掃清道路，解除世界能源安全所面臨的問題與危機(jī)。

該裝置的建造與安裝調(diào)試耗時(shí)近15年，在一個(gè)慶祝成功儀式后投入使用。參加上述儀式的有美國能源部長朱棣文（Steven Chu）和美國加利福尼亞州州長阿諾德·施瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）。后者曾表示，此裝置將“徹底改變我們的能源狀況”。

2、研究發(fā)展

英國原子能管理局（UKAEA）核聚變研究中心位于英國牛津郡的卡拉姆，其助理技術(shù)指導(dǎo)德里克·斯托克（Derek Stork）說：“如果他們真的成功了，那就太了不起了！迄今還沒有人能夠?qū)崿F(xiàn)能量的凈產(chǎn)出。”

在裝置內(nèi)部，研究人員用世界上最強(qiáng)大的激光器產(chǎn)生192條激光束。

  激光核聚變裝置內(nèi)部

這些激光束將打在一個(gè)固態(tài)氫球形靶丸上。此過程極其短暫，僅持續(xù)五十億分之一秒。作為燃料的氫靶丸，每一個(gè)直徑只有兩毫米，價(jià)值卻在四萬美元左右，因?yàn)樗鼈儽仨毷峭昝赖那蝮w，以保證在被激光擊中后能夠以理想的方式發(fā)生崩潰。強(qiáng)大的激光束產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，后者將以每小時(shí)100萬英里的速度壓碎靶丸，同時(shí)產(chǎn)生一億攝氏度左右的高溫。在這種原本只能發(fā)生在恒星內(nèi)部的極端條件下，氫原子將發(fā)生聚變反應(yīng)而生成氦原子，同時(shí)釋放出大量能量。

在未來一年左右的時(shí)間里，該裝置將逐步提升至滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，但是實(shí)驗(yàn)將按計(jì)劃進(jìn)行到2040年左右。美國國家點(diǎn)火裝置如獲成功，可用于科技領(lǐng)域，建立第一代并網(wǎng)發(fā)電的示范性電廠。位于卡拉姆的英國原子能管理局已經(jīng)制定了一個(gè)激光核聚變電廠的系列規(guī)劃。歐洲高功率激光能源計(jì)劃（the Hiper project）將用兩束激光發(fā)電，原料是海水和鋰，后者是一種含量豐富的元素。

參與歐洲高功率激光能源計(jì)劃的約翰·帕里斯（John Parris）說：“此計(jì)劃的實(shí)施將立即改變未來世界的能源地圖，一立方千米海水所包含的核聚變能量等于世界全部石油儲量

所釋放能量的總和。”目前，一小部分國家控制著全球的大量石油，導(dǎo)致眾多國家擔(dān)心自身的能源安全。而歐洲高功率激光能源計(jì)劃實(shí)施后，上述擔(dān)心將蕩然無存。

美國國家點(diǎn)火裝置還有一些主要的技術(shù)難點(diǎn)需要攻克，之后研究者們才能額手稱慶。裝置中央的激光器每天只能發(fā)射幾次，而且需要在發(fā)射間歇更換氫靶丸。研究者期望在未來的幾年里做出改進(jìn)，以使得裝置能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這也許意味著，激光器每秒就可以發(fā)射10次，而且可以在半空擊中落入聚變室的氫靶丸。

3、點(diǎn)火裝置

國家點(diǎn)火裝置的終端光學(xué)檢查系統(tǒng)�？茖W(xué)家利用世界上最強(qiáng)激光產(chǎn)生的192道光束直接照射在冰凍的氫原子珠上，激發(fā)了一次持續(xù)十億分之五秒的猛烈爆炸。

美國國家戰(zhàn)火裝置實(shí)驗(yàn)室位于加利福尼亞

國家點(diǎn)火裝置不僅有世界上最強(qiáng)的激光，也有世界上最大的光學(xué)儀器。這是磷酸二氫鉀（KDP）晶體，重達(dá)800磅（360千克），是激光器的主要部分。應(yīng)用新的方法，生成這么一大塊晶體只需要兩個(gè)月時(shí)間，而傳統(tǒng)的方法則需要兩年。每塊晶體被切成40平方厘米的晶片，整個(gè)國家點(diǎn)火裝置需要600個(gè)這樣的晶片。

直徑達(dá)10米的靶室于1999年6月安裝，重達(dá)28.7萬磅（13.7萬千克）。靶室從建設(shè)到投產(chǎn)一共花了近15年的時(shí)間。按照計(jì)劃，美國能源部部長朱棣文和加州州長阿諾·施瓦辛格將出席靶室的開啟儀式。施瓦辛格曾說，這一裝置將“徹底變革我們未來的能源格局”。

在線性可替換單元（LRU）之間的激光玻璃調(diào)和板。LRU由一個(gè)大的金屬框及其固定的各種類型的透鏡、反射鏡或玻璃組成。這些透鏡或玻璃等可以輕松地安置在光束線中，也可以方便地取出進(jìn)行維護(hù)。玻璃調(diào)和板LRU將安裝在兩個(gè)閃光燈暗盒之間，激光束穿過的時(shí)候，閃光燈暗盒點(diǎn)燃，從而使激光在通往靶室的過程中吸收來自特殊處理的玻璃的能量。

4、主要典型

由于激光核聚變具有非常重要的意義，世界各國都在加緊研究，并展開激烈的競爭。這里所介紹的是國際上幾種有代表性的激光核聚變裝置。

托卡馬克核聚變

早期比較有希望的一種激光核聚變裝置是由原蘇聯(lián)發(fā)明的，稱為托卡瑪克。同一時(shí)期，美國也在研究類似的系統(tǒng)。

托卡瑪克具有環(huán)形結(jié)構(gòu)，工作時(shí)，有20束激光同時(shí)照射填充氫同位素靶的

裝置使用60年重800磅的晶體

中心，其中10束從裝置上方入射，另外10束則來自底部。要求用3萬公升/分流量的水加以致冷。這屬于間接驅(qū)動方式。由美國能源部投資2.84億美元建造的類似系統(tǒng)從1982年開始在普林斯敦大學(xué)運(yùn)轉(zhuǎn)。

80年代中期，美國勞倫斯·利物謀國家實(shí)驗(yàn)室建造了一個(gè)稱為諾瓦的裝置。諾瓦用釹玻璃固體激光的3倍頻作點(diǎn)火光源，波長351納米，脈沖能量45千焦，脈寬2.5納秒（因而峰值功率為1.8×1013瓦）。該裝置全長66米，靶室長30米，1.8米厚的混凝土墻壁保護(hù)工作人員免受激光沖擊波的燒灼。

歐米伽與奈克

進(jìn)入90年代，美國又有兩個(gè)新的激光核聚變系統(tǒng)投入工作。一個(gè)是羅徹斯特大學(xué)激光能量實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的歐米伽升級裝置，另一個(gè)是海軍研究實(shí)驗(yàn)室的奈克設(shè)施。

歐米伽升級裝置與諾瓦相似，也采用釹玻璃激光的3倍頻作為點(diǎn)火光源，單脈沖能量為45千焦，但其脈寬只有1納秒，因而最大峰值功率為諾瓦裝置的2.5倍，并被認(rèn)為是當(dāng)時(shí)世界上功率最高的器件。裝置從研究、設(shè)計(jì)到建造共花費(fèi)6100萬美元。

歐米伽升級裝置首先將1束光分為3束，并加以放大，然后將放大后的光再作多次分束，共產(chǎn)生60束波長為1.054微米的近紅外輻射，最后進(jìn)行了倍頻，得到351納米的紫外線，它比1.054微米的紅外光束更容易與靶耦合。

奈克系統(tǒng)的研究者于80年代后期決定放棄釹玻璃激光器的研究，轉(zhuǎn)而以氟化氪準(zhǔn)分子激光為基礎(chǔ)。后者具有波長更短（248納米）、效率較高等優(yōu)點(diǎn)，且奈克系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)與建造的費(fèi)用不到歐米伽裝置的1/3。

奈克系統(tǒng)中的激光束以56束多路傳播和中繼，并同時(shí)打到靶上。在這些光束中有44束用于靶的加速，另外12束則用作產(chǎn)生靶診斷的后向散射光。

核聚變實(shí)驗(yàn)裝置

1992年7月，克林頓總統(tǒng)宣布美國延期暫停核試驗(yàn)，同時(shí)責(zé)成能源部探索在不進(jìn)行地下核試驗(yàn)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(cái)政年度，國防管理法規(guī)要求能源部提交一項(xiàng)有關(guān)美國核武器核心知識和技術(shù)資料安全管理的計(jì)劃。1994年11月，被稱為“國家點(diǎn)火設(shè)施”的激光核聚變計(jì)劃正式簽發(fā)，同時(shí)得到能源部“慣性約束核聚變”顧問委員會的贊同，并于1996年的國會預(yù)算中獲得0.61億美元的撥款。

國家點(diǎn)火設(shè)施計(jì)劃采用192束351納米波長的激光，總能量為1.8兆焦。諾瓦聚變激光器的誕生地——勞倫斯·利物謀國家實(shí)驗(yàn)室被認(rèn)為是國家點(diǎn)火設(shè)施最合適的選址。當(dāng)時(shí)計(jì)劃1997年春開始建造，并希望于2002年晚些時(shí)候建成使用，總預(yù)算為10.74億美元。

法國“太陽神”及未來計(jì)劃

自1986年以來，一個(gè)被稱為“太陽神”的激光核聚變裝置就在法國開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

太陽神由美國勞倫斯·利物謀國家實(shí)驗(yàn)室工程設(shè)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)室和法國里梅爾小組共同建造。因“師出同門”，系統(tǒng)與諾瓦頗為相似，以釹玻璃激光器為基礎(chǔ)，3倍頻后在351納米處產(chǎn)生脈寬1納秒的脈沖，但脈沖能量只有8千焦。

1994年，法國原子能委員會和美國能源部簽署了一項(xiàng)美法共享兆焦級激光研究成果的雙邊協(xié)議。1995年5月，法國政府宣布，它將在波爾多市附近建造一個(gè)自己的系統(tǒng)。該系統(tǒng)與美國的國家點(diǎn)火設(shè)施類似，采用波長351納米的3倍頻釹玻璃激光器，60組共240束（每組4束）激光，總脈沖能量為1.8兆焦。原計(jì)劃也是1997年初開始建造，預(yù)計(jì)6～8年建成，耗資12億美元。

中國慣性約束核聚變研究

慣性約束核聚變研究工作的三要素是，極高功率的激光系統(tǒng)，激光照射目標(biāo)（靶）的物理特性及診斷設(shè)備。

中國于80年代較早時(shí)候研制成功國內(nèi)當(dāng)時(shí)功率最高的釹玻璃固體激光器，即被稱為“神光Ⅰ號”的裝置。1986年和1990年，在該裝置上先后進(jìn)行了直接驅(qū)動和間接驅(qū)動熱核聚變實(shí)驗(yàn)，它標(biāo)志著中國在該領(lǐng)域已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

1993年，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，慣性約束核聚變研究在國家863高技術(shù)計(jì)劃中正式立項(xiàng)。從而推動了中國這一領(lǐng)域工作在上述三個(gè)方面更迅速地發(fā)展。首先表現(xiàn)在，由中國科學(xué)院和中國工程物理研究院聯(lián)合研制的功率更高的神光Ⅱ號固體激光器問世，它在國際上首次采用多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，將成為我國第九個(gè)和第十個(gè)五年計(jì)劃期間進(jìn)行慣性約束核聚變研究的主要驅(qū)動裝置。與此同時(shí)，曾為中國在這一領(lǐng)域的研究與發(fā)展立下汗馬功勞的神光Ⅰ號于1994年光榮退役；另一方面，比神光Ⅱ號技術(shù)更先進(jìn)、規(guī)模更大的新一代固體激光器的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)開始，有關(guān)的多項(xiàng)單元技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，一些重要技術(shù)達(dá)到國際水平。此外，作為另一種可能的驅(qū)動源，氟化氪準(zhǔn)分子激光器的研究也取得重大進(jìn)展。

在靶物理研究方面，建立了很多理論模型，進(jìn)行了大量數(shù)值模擬，在神光裝置和星光裝置上所進(jìn)行的物理基礎(chǔ)研究，對激光與靶耦合、輻射場與高溫高壓等離子體特性、內(nèi)爆動力學(xué)和流體力學(xué)不穩(wěn)定性、熱核點(diǎn)火和增益燃燒等物理規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得了對靶物理規(guī)律較系統(tǒng)和深入的認(rèn)識。

診斷設(shè)備方面，在原有基礎(chǔ)上積極研制、開發(fā)和引進(jìn)一批高精度的儀器，對物理測量起到了十分重要的作用。

可以期望，中國激光領(lǐng)域的廣大科技工作者將發(fā)揚(yáng)艱苦奮斗的精神，最終實(shí)現(xiàn)慣性約束核聚變的點(diǎn)火燃燒，建成聚變核電站，為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活提供最理想的能源。

日本的“新激光Ⅻ”和拍瓦項(xiàng)目

日本目前正在運(yùn)轉(zhuǎn)的有代表性的裝置是大阪大學(xué)激光核聚變研究中心建造的“新激光Ⅻ”系統(tǒng)。

隨著最近拍瓦（l拍瓦=10 15瓦）激光器的迅速發(fā)展，該中心正在研究一種“高速點(diǎn)火”方法，其目標(biāo)是力爭在21世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火、燃燒和高增益化。

5、主要用途

研制新型氫彈變身“常規(guī)武器”

激光核聚變除了可生產(chǎn)取之不盡的清潔能源外，在軍事上還可用于發(fā)展新型, , 核武，特別是研制新型氫彈，同時(shí)亦可部分代替核試驗(yàn)。因?yàn)橥ㄟ^高能激光代替原子彈作為氫彈點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)的核聚變反應(yīng)，可以產(chǎn)生與氫彈爆炸同樣的等離子體條件，為核武設(shè)計(jì)提供物理學(xué)資料，進(jìn)而制造出新型核武，成為戰(zhàn)爭新“殺手”。

早在20世紀(jì)50年代，氫彈便已研制成功并投入使用。但氫彈均是以原子彈作為點(diǎn)火裝置。原子彈爆炸會產(chǎn)生大量放射性物質(zhì)，所以這類氫彈被稱為“不干凈的氫彈”。

采用激光作為點(diǎn)火源后，高能激光直接促使氘氚發(fā)生熱核聚變反應(yīng)。這樣，氫彈爆炸后，就不會產(chǎn)生放射性裂變物，所以，人們稱利用激光核聚變方法制造的氫彈為“干凈的氫彈”。傳統(tǒng)的氫彈屬于第2代核武，而“干凈氫彈”則屬于第4代核武器，不受《全面禁止核子試驗(yàn)條約》的限制。由于不會產(chǎn)生剩余核輻射，因此可作為“常規(guī)武器”使用。

美法日“人造太陽”

美國仍居世界領(lǐng)先地位，不僅擁有世界上最大的“諾瓦”激光器、世界上功率最大的“X射線模擬器”和“國家點(diǎn)火裝置”。

法國激光核聚變研究以軍事化為主要目標(biāo)，確保法國TN-75和TN-81核彈頭能處于良好狀態(tài)。早在1996年，法國原子能委員會便與美國合作進(jìn)行一項(xiàng)龐大的“兆焦激光計(jì)劃”

小小核聚變?nèi)剂吓搶⑨尫啪薮蟮哪芰?SPAN lang=EN-US>

預(yù)計(jì)2010年前完成，經(jīng)費(fèi)預(yù)算達(dá)17億美元。其主要設(shè)施240臺激光發(fā)生器可在20納秒內(nèi)產(chǎn)生180萬焦耳能量，產(chǎn)生240束激光。

日本1998年，日本成功研制核聚變反應(yīng)堆上部螺旋線圈裝置和高達(dá)15米的復(fù)雜真空頭，標(biāo)志著日本已突破建造大型核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆的技術(shù)難點(diǎn)。

核聚變

與核裂變依靠原子核分裂釋放能量不同，聚變由較輕原子核聚合成較重原子核釋放能量，常見的是由氫的同位素氘與氚聚合成氦釋放能量。與核裂變相比，核聚變能儲量更豐富，幾乎用之不竭，且干凈安全，不過操作難度巨大。

當(dāng)星體內(nèi)部存在巨大壓力，核聚變能在約1000萬攝氏度的高溫下完成，然而，在壓力小很多的地球，核聚變所需溫度達(dá)到1億攝氏度。“國家點(diǎn)火裝置”將寄望通過匯聚大功率激光束實(shí)現(xiàn)這一高溫。能否在核聚變過程中實(shí)現(xiàn)“能量收益”是問題的關(guān)鍵。之前有試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)過核聚變，但未能使核聚變釋放的能量超過試驗(yàn)所需能量。

方圓激光www.52xxxx.com摘錄

2014-1020