激光惯性约束聚变(ICF)驱动器的研究进展和快点火概念平台论文

一、引言
1960 年激光问世不久，原苏联的巴索夫院士和我国王淦昌院士就分别独立提出了用强激光引发 核聚变反应的原始概念设想。从那时算起，激光核聚变物理研究与高功率激光驱动器技术相互促进， 协调发展，至今已有 40 年的历史。
激光 ICF 研究发展有三方面的目标。 首先，激光 ICF 的长远目标是解决人类干净的能源需求。它的优势之一是激光驱动器可以在空 间布局上与核聚变反应堆分开，这一特点使得将来的电站反应堆工程设计更为简便、合理。 在磁约束聚变能(MFE)方面，世界上一些国家正在酝酿建造国际热核聚变实验反应堆(ITER)。 而在惯性约束聚变能(IFE)方面，正在建造并预计在 2008 年全面建成的美国国家点火装置(NIF)，总 投入经费将达到 35 亿美元。此后 10 年左右，即 2019 年，美国将选定用哪种技术途径(IFE,还是 MFE) 来建造热核聚变示范反应堆。 第二方面，激光惯性约束聚变科学技术发展重要的特点是有中期军事应用。世界上有核国家都 极其重视这方面的研究工作。 第三方面，激光核聚变是目前人类在实验室创造只有恒星内部才能存在的高温、高压、高密度 物质状态的唯一手段。这方面工作的进展已经拓展出一个富有活力的崭新科学研究领域——“高能 密度物理”，重点是研究高能量密度条件下的特殊物理现象。在这一重要的新研究领域中，人们可以 利用激光产生的类似天体的等离子体，利用实验室已有的诊断手段仔细研究超新星爆发，研究木星 的内核结构。人们可研究流体运动及边界相互作用，可以开展极端条件下的高压物理、凝聚态物理
图 2 令人鼓舞的金锥管加 CD 壳靶快点火原理示范实验结果
日本大阪大学 2002 年的实验，表明超热电子吸收了 40%。中子产额由 104 到 107，增加了三个数 量级。(热核反应区温度 800 万-1000 万度)
这两个成功的实验进一步激发了国际 ICF 界研究快点火物理和相关 PW 激光技术的热情，增强 了信心。
2. 激光 ICF 的两种靶驱动方式
激光 ICF 靶驱动方式主要有两种，直接驱动和间接驱动。直接驱动方式要求驱动激光在 4π立 体角内对称、均匀(靶壳表面激光辐照强度涨落≤1%rms)、同步(各束激光时间同步精度≤10ps)辐照 球形靶丸。为了实现燃料的相对低温，高致密度预压缩，驱动器输出的每一束激光脉冲形状需要做 特定高动态范围的精密修整或整形。整形后的各束激光脉冲形状在激光能量高倍率放大后仍必需保 持高水平的相对一致性。这一高难度的技术需求归结为对驱动器的精密化功率平衡指标要求。另外 一条精密化激光定点打靶精度指标(激光在指定靶位置的落点精度≤20μm rms)，进一步控制了各束 激光在靶丸上的正确落点叠加辐照均匀性。这一指标对于直接驱动方式的成功运作也起到十分重要 的作用。
第二种靶驱动方式是间接驱动。在这种运作方式中驱动器全部激光束等分为两大组，分别相对 穿入毫米尺度金园柱空腔靶两端中心的两个小孔中，把激光能量对称沉积在园柱内壁上，以 90%以 上的效率转换成软 X 光，用均匀辐照的软 X 光驱动置于腔中心的热核燃料靶丸，实现热核燃烧。间 接驱动方式解决了靶的均匀辐照问题，但对驱动激光光束的光学质量(可聚焦能力)、穿孔能力、精 密化激光定点打靶能力和脉冲精密整形都提出了极高的要求。
三、预压缩激光驱动器技术进展
1. 以“国家点火装置”为代表的激光驱动器技术取得了重大突破
80 年代末，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)开始酝酿大型激光 ICF 装置，希望通过中 心点火途径实现高增益热核点火燃烧。这一设想逐步发展成为美国国家点火装置(NIF)工程。NIF 将 耗资 34.5 亿美元，于 2008 年建成投入运行，是 LLNL 有史以来最大的一个建设项目，也是世界上有
其中 ni 为热核燃料离子数密度；τ为惯性维持该数密度的时间间隔；ρm 为被压缩的低温热核 燃料质密度；r 为预压缩到高质密度燃料小球的半径。
上述三个基本条件中劳森判据条件要求驱动激光或由激光转换成的软 X 光，以高时间同步精度， 均匀、对称地辐照热核燃料球靶的外包壳层，利用等离子对称外喷所产生的向心驱动压力把核燃料 对称向心压缩到费米简并状态 1/3 左右的数密度。这样，在向心压缩达到压力平衡的惯性迟滞时间 间隔内可满足劳森判据条件。
J.Nuckolls(1972)
M.Tabak(1994)
a) 体点火 内能Ｅm>1MJ
EL>10MJ
b) 中心点火 Ｅm=0.039MJ
Eh=0.12MJ EL～1MJ
c) 快点火 Ｅm=0.039MJ
Eh=0.002MJ EL～0.3-0.4MJ
图 1 三种热核燃烧点火方式
3. 三种热核燃烧点火方式 激光 ICF 研究初期的靶物理方案设计是把劳森判据条件与燃料等离子体高温条件在时间上捆绑
2001 年，英国卢瑟福实验室的 P.Norreys 与日本大阪大学 R.P.Kodama 等合作[5]，在日本大阪 大学 Gekko-Ⅻ激光装置上利用金锥管导引百 TW 点火脉冲从实验上演示了快点火物理原理。2002 年 的实验[6](见图 2)把点火脉冲能量提升至近 1PW，获得超热电子吸收 40%，热核燃料区温度 8 百万至 1 千万度，中子产额由 104 增加到 107 的好结果。
研究。可以开展高密度等离子体性质的研究，开展其辐射行为的研究，提供非相干辐射探 针。激光产生的高温高密度及等离子体本身就是一个强 X 光和粒子辐射源，它在解决若 干重要的基本物理和应用物理问题中可能会发挥相当重要的作用。
二、ICF 聚变物理目标及对激光驱动器的技术需求
1. 激光 ICF 的工作模式
最易实现的核聚变反应为：
然而，快点火设计对激光驱动器技术的发展提出了十分苛刻的新要求。这包括了高能量输出的 (10-100kJ)拍瓦(1015W,PW)激光点火驱动器技术的发展；高信噪比(106-108)激光点火脉冲技术的实 现；百皮秒级激光打通道技术研究；点火激光脉冲与预压缩激光脉冲的高精度时间同步(10-20ps) 技术的实现等。
表 1 NIF 1/50 光束达标的重大进展
输出激光波长
单束输出能量
脉宽
输出能密度
输出功率密度
1053nm(1ω0) 525nm(2ω0) 351nm(3ω0)
26.5kJ 11.4kJ 10.4kJ
(？) (4ns) (4ns)
16.6J/cm2 7.1J/cm2 6.5J/cm2
? 1.72GW/cm2 1.63GW/cm2
6
第五届全国光子学大会会议论文集 第一分册：特约报告
史以来最庞大的系统光学科学工程。NIF 将由 192 束通光口径为 400mm×400mm 的 192 束激光束组成， 实现总激光输出 1.8MJ(脉宽 3-10ns)，设计聚变增益 10-100 倍。NIF 的 1/50，即 2 束×2 束的一组 激光已于 2002 年底超额完成预定设计指标，并于 2003 年投入试运行打靶[7]。表 1 给出已达标的每 一单束激光输出的技术参数指标。
这一新概念大幅度降低了对激光驱动器的能量需求。理论粗估表明[2，3]利用中心点火概念设计， 1～2MJ 的激光能量输入可获得 10-100 倍热核燃烧释放的能量增益。然而，为了实现中心局部区域 温度升至 5 千万至 1 亿度，所消耗的激光能量要比燃料预压缩需求的激光能量大约三倍，这是很不 合算的。
1994 年，M.Tabak[5]提出了最新概念，用超强激光产生合适能量的超热电子或质子，使预压缩 燃料边缘的局部区域升温，从而实现燃料点火(见图 1c)。按照这一方案设计，用于点火及为有效点 火需要在等离子体冕区打出通道的激光功率很高，但其能量仅为预压缩能量的 1/20 左右[3]。这意味 着，实现激光 ICF 增益所需的总激光能量可以下降到中心点火所需能量的约 1/4，是非常吸引人的。
法国预定于 2010 年建成与美国 NIF 规模相当的激光 ICF 点火装置 LMJ。LMJ 在工程设计中采取 了若干与 NIF 不同的技术路线，但在大的布局方面与 NIF 相似。
此外，日本 FIREX Ⅱ期，我国神光Ⅲ，俄罗斯都在激光 ICF 预压缩领域投入了相当的力量。 在大型或超大型 ICF 高功率激光驱动器发展中各国主要实验室相继走上了大口径激光输出，多 程放大，高效三倍频或二倍频，前端光纤化、集成化、模块化的技术集成发展道路，其光学技术要 求已经十分逼近当代光学研究技术水平的物理极限。 2. 我国神光系列激光驱动器技术水平迅速提升 神光系列装置工程研制基本参数列于表 2。 建于 80 年代中期的神光 I 装置把国内尝试性的高功率激光搭建实验平台第一次转变成可以做 ICF 初级单元实验的激光驱动器。而 90 年代末,神光Ⅱ的工程研制[8,9]使我国高功率激光驱动器的激 光、光学技术能力和水平实现了质的跨越提升。神光Ⅱ的工作涵盖了高功率激光技术总体和单元的 各个方面。主要有， 1) 获得了高平均激光通量密度的激光驱动器输出能力。神光Ⅱ的工作使我国驱动器激光通量密度 达到国际水平，并从根本上找到了安全提高驱动器总能量或功率输出能力的技术途径，成功解 决了驱动器工作物质严重损坏的问题。 2) 神光Ⅱ的激光品质大幅度提高，标志激光器总体光学质量的可聚焦能力提高十倍以上。激光穿 孔能力大幅度提升，满足了高水平间接驱动物理实验需求。 3) 使我国驱动器开始具备三倍频能力，并实现了三倍频综合技术能力的全面突破。 4) 实现了国际高水平的激光快速瞄准及高精度定点打靶能力。 5) 实现了激光脉冲初步整形和精密化功率平衡的能力。 6) 研制成功我国特有的高难度无开关双程主放大器，并在国际上首次打靶运行成功。
2 D1 + 3 T1 →4 He2 (3.5Mev)+1n 0 (14.1Mev)
Байду номын сангаас(1)
式中 D 为氘；T 为氚；He 为氦核，即α粒子；n 为中子。为实现可持续的惯性热核聚变燃烧， 必须满足三个基本条件。
4
第五届全国光子学大会会议论文集 第一分册：特约报告