惯性约束聚变能源与激光驱动器.

第18卷第67期大自然探索V o l.18,Sum N o.671999年第1期EXPLO RA T I ON O F NA TU R E N o.1,1999惯性约束聚变能源与激光驱动器Ξ
中国工程院院士
中国科学院上海光学精密机械研究所研究员
国家高技术863—416主题专家组成员
范滇元
中国科学院院士
北京应用物理与计算数学研究所研究员
国家高技术863—416主题专家组首席科学家
贺贤土
聚变能源是一种“干净的”几乎取之不尽的能源。

研究进展表明,有希望在21世纪中叶实现商业发电。

惯性约束聚变则是实现聚变能源的主要途径之一。

80年代末,美国用地下核爆的辐射能量成功地驱动惯性约束聚变,证实了这一技术路线在科学上的可行性。

90年代以来,一些国家制定了庞大的发展计划,以“点火”为目标,建造百万焦耳级的巨型激光装置。

同时,并行地开始了用于聚变能电站的驱动器研究。

我国已有30多年研究基础,现已制定跨世纪的“神光- ”计划,将在下世纪初建成10万J级的激光装置,开展相关基础物理研究。

1聚变能源是地球上的人造小太阳
能源是人类赖以生存的基本条件。

据估计,到下世纪中叶前后,全世界能源消费的需求将超过传统能源的供给能力,必须开发新的能源以弥补其短缺。

聚变能源是新能源的重要候选者之一。

氢的同位素氘和氚在高温下聚合成氦核并释放出中子的过程称为“聚变”。

太阳的巨大能源即来源于聚变,而氢弹的爆炸则是地球上人为的聚变反应。

氘和锂(可产生氚在海中蕴藏量极其丰富,120kg海水可产生相当30L石油放出能量的聚变能,聚变材料可谓“取之不尽”。

如果能在人工可控条件下实现聚变反应,则可以提供几乎用之不竭的能源。

和传统能源相比,聚变燃料具有最高的比能。

然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。

自持反应要有1亿k W h左右的高温,并且参与反应的粒子密度n要足够高,能维持一定的反应时间Σ,即nΣ值要达到1014s c m3以上,这就是著名的劳逊判据。

为了实现上述条件,目前有两条技术途径:磁约束聚变(M CF和惯性约束聚变(I CF。

惯性约束聚变的基本思想是:利用激光或离子束作为驱动源,脉冲式地提供高强度能量,均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳表面形成高温高压等离子体,利
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Ξ谨以此文缅怀惯性约束聚变研究先驱王淦昌院士
用反冲压力,使靶的外壳极快向心运动,压缩氘氚主燃料层到每立方厘米几百克质量的极高密度,并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑,达到点火条件;驱动脉冲宽度为纳秒级,在高温高密度热核燃料来不及飞散之前,进行充分热核燃烧,放出大量聚变能,所以又称惯性约束聚变(I CF 。

实际上这和太阳的聚变过程相仿,只是约束高温等离子体的方式有所不同。

60年代初,我国激光聚变研究刚刚起步的时候,钱学森院
士就形象地指出:你们的事业是在地球上人造一个小太阳!2惯性约束聚变的科学可行性研究
走向聚变能源要历经三个里程碑阶段:(1靶物理研究:掌握I CF 各个环节的物理规律,在实验室演示点火(ign iti on 和高增益。

点火,即聚变释放能量的速率足以超过由于各种因素使氘氚等离子体冷却的速率,导致热核燃烧自持进行。

在实验室演示I CF 科学上可行性。

在此基础上进一步达到高增益。

(2聚变发电演示:建成聚变能演示反应堆及发电厂,演示工程上可行性。

(3商用:商用发电达到经济效益可以和其他能源相竞争,即经济上可行性。

惯性约束聚变研究始于60年代激光出现后不久,至今已有30年,取得了显著成效。

地下核试验证实了原理可行性,探索出了可行的科学技术途径,经过努力在实验室条件下的聚变“点火”已指日可待。

211惯性约束聚变的物理过程和驱动方式
(1加热:激光(或离子束、X 光辐射照射靶丸表面形成高温高压等离子体。

(2压缩:靶丸表面高温高压等离子体向外喷射,形成的反冲压力将靶丸向心内爆压缩氘氚到极高密度(约20倍以上通常铅的密度。

高密度氘氚区形成热核燃烧波迅速扩展到整个主燃料层,释放能量大于激光能量很多倍(高增益的聚变能。

有两种方式驱动上述聚变反应。

第一种为直接驱动:激光束直接照射氘氚靶丸表面。

这种方式有较高的效率,但是为了达到高倍的压缩,要求驱动光束在4Π立体角方向极为均匀地照射靶面,均方差小于1%~2%,这是极其困难的。

第二种为间接驱动:为了避开这一难点,提出了另一种称之为“间接驱动”的照射方式。

此时激光束照射到包围靶丸的柱形空腔外壳内壁,产生X 光辐射,X 光经输运热化后再加热氘氚靶丸表面。

也可用离子束作驱动源,离子束先轰击围绕靶丸的物质,转换为X 射线,然后由X 光加热靶,从而实现间接驱动的聚变反应。

不论哪种驱动方式,对驱动器的能量和质量要求均很苛刻。

近年来,提出了一种新的点火手段,不同于上面讨论的中心点火模型,它是内爆压缩和点火分开进行的。

先是用激光压缩氘氚到极高密度,然后外加一束超短脉冲超高强度激光在等离子体中传播,产生大量超热电子(1M eV 以上,在极高密度氘氚边缘内部形成热斑点火,并扩展到整个体积。

理论研究表明,把原先的中心点火改为快点火,可以大幅度降低对驱动能量的要求,从而大幅度降低驱动器造价,因此这种方法已成为国际研究的热点。

212惯性约束聚变研究进展
惯性约束聚变研究已在世界范围内取得重要进展。

美国里弗莫尔国家实验室最为先进,从1975年至今,建造了6代激光驱动器,输出功率提高了近5个量级,取得了一系列重要靶物理成果。

究竟需要多少驱动能量才能达到点火和能量增益呢?80年代末,美国实施“百人队长”计划,利用地下核爆辐射的小部分X 光作为驱动源,照射氘氚靶丸表面,成功地实现了具有近百倍能量增益的聚变反应,而且实验结果和LA SN EX 程序计算相符,从而证实了惯性约束聚变的科学可行性,也明确了
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23・大自然探索1999年第1期(总第67期
需要有百万焦耳级的驱动能量才能满足要求。

这一结果公布后,极大地推动了国际I CF研究。

然而在实验室研究中必须掌握激光与等离子体相互作用规律,包括激光直接或间接驱动转换成靶丸内爆能量效率及由此带来很多物理和技术问题。

所以,虽然地下核试验表明了高增益I CF的可能,但仍然需要在实验室条件下演示I CF科学上可行性。

1989年有关国家科学家聚会西班牙,发表了著名的“马德里宣言”,号召全世界科学家合作,向实验室演示点火目标前进。

1994年国际原子能署(I A EA召开的惯性约束聚变驱动器国际会议上,美国能
源部官员M. Sluyter在综述报告中,形象地展示了美国的目标及各阶段计划的衔接关系。

美国“国家点火装置”(N IF的设计目标是实现点火并达到中等(5~10倍能量增益。

N IF的主要技术指标:
输出能量:1・8M J,500TW(3Ξ;
功率平衡:<8%r m s(2n s范围内;
靶瞄准精度:<50Λm;
插头效率:1%(电能到3Ξ光能
高能发射次数(a:
产额为1~100kJ100次
产额为100~500kJ35次
产额为5~10M J10次
激光系统结构:
激光束由192子束组成,每束口径40c m ×40c m,输出10kJ;
192束分成24大路,每大路由4×2列阵组成;
激光装置大厅面积200m×85m;
靶场宽30m、高30m;
激光束从上下方向射入真空靶室,光学元件离开球壁4m。

然而,包括N IF在内的所有装置都只能做到聚变能源的科学可行性验证,并不能成为聚变能电站。

关键在于,驱动器只能单次发射(几小时一次,而且驱动器本身的能量转换效率不高,约为1%左右。

3惯性约束聚变的工程可行性研究
为实现惯性约束聚变商用能源的里程碑目标,需要满足下列4个条件:
(1高增益靶输出的聚变能量比输入的驱动能量大50~100倍;
(2驱动器能以5~10H z的重复率工作,插头效率达10%~30%;
(3靶的成本降低到25美分左右,且年生产率达到1亿个;
(4装置具有长达30年的使用寿命。

为此开展了高效率,高重复率运转的驱动器研制和聚变能电站的总体概念设计。

用于聚变能电站的候选驱动器主要有:半导体激光泵浦的新型固体激光器,氟化氪气体激光器,重离子和轻离子加速器。

下面我们以上列第一种类型的方案设计为例,说明有关的研究进展。

第一种激光器与现有装置不同之处在于:用半导体激光管代替氙灯,用作固体激光器的泵浦源;选取与之匹配的激光工作介质: Yb∶S-FA P晶体。

以此为基础,里弗莫尔实验室科学家完成了全半导体激光泵浦固体驱动器(D PSSL的聚变能电站设计。

他们在技术上详细地分析和计算了D PSSL聚变电站的方案和造价,编制了进行计算的计算机程序,得到的结果是:
发电功率100万k W;
电费成本每k W h电费816美分
电站总造价 416B(46亿美元
激光系统的3Ξ总能量4M J
插头效率(从消耗电能到3Ξ激光能
Γ=8.6%;
靶增益:G=76,即ΓG~7
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惯性约束聚变能源与激光驱动器
4我国I CF 激光驱动器研究概况和展望
1964年,我国著名核物理学家王淦昌院
士独立地提出激光聚变早期思想,并提出了具体方案。

按照这一创议,在我国第一个激光专业研究所——中国科学院上海光机所开始了高功率激光驱动器的研制和应用并于1971年获得氘2氘碰撞中子。

1978年中国工程物理研究院和中国科学院携手合作,I CF 研究进入了全面发展的新阶段。

近20年来,致力于研制和应用钕玻璃激光驱动器——“神光”系列装置,取得了显著进展,推动了我国I CF 实验和理论研究,并在国际上占据了一席之地。

411“神光2 ”装置“神光2 ”装置建成于1986年。

该装置输出两束口径为200mm 的强光束,每束激光的峰功率达1012W ,脉冲宽度有1n s 和100p s 两种,波长为11053Λm 的红外光,可倍频到0153Λm 绿光。

该装置建成后连续运行8年,在前沿物理实验研究中取得一批国际先进水平的成果,主要有:①我国首次间接驱动内爆出中子实验成功;②极高压下材料状态方程的高精度测量;③
类氖锗X 光激光达增益饱和并具有近衍射极限的光束质量;④复合泵浦X 光激光研究获得一系列国际首次报道的新谱线。

412“神光2 ”装置
和号装置相比, 号装置规模扩大4倍,可输出8束强光,立体地照射氘氚靶丸。

红外波长的激光能量达6kJ 1n s ,并可变换到0135Λ的紫外激光。

脉冲宽度有1n
s 、100p s 、20p s 和1p s 4个档次。

目前,该装置已进入总装调试阶段,计划1998年投入试运行,它将是我国“十五”期间I CF 研究的主要驱动器。

413“神光2 ”装置
为了开展更深层次的I CF 物理研究(包括点火预研究以满足21世纪发展需求,制定了研制“神光2 ”装置的规划,并已完成概念设计和可行性论证。

规划中的“神光2 ”装置是一个巨型的激光系统,比当前世界最大的NOVA 装置还要大1倍多。

它具有60束强光束,紫外激光能量达60kJ ,质量和精密性要达到21世纪的国际先进水平。

我国激光驱动器研究的现状和发展前景:①现在到下世纪初,“神光”装置运行并精密化——8束,214kJ 3Ξ;②2000年前后,研制“神光2 ”装置的双路原型—2kJ
3Ξ;③2005年前后,建立“神光2 ”装置——60束、60kJ 3Ξ;④2010年前后,研制“神光—”装
置——点火装置。

神光2 装置是世纪之交我国有史以来光学领域最宏伟的科学工程,必将全面带动相关科学技术攀登世界水平,是我国综合国力在科技领域的标志性体现,其作用和意义不亚于当年的“两弹”。

这既是挑战也是机遇,在走向聚变能源的道路上需要几代人的不懈努力。

“神光2 ”装置是多种学科、多种技术的综合集成,涉及到10个技术门类和相关内容,如:①激光器件和单元技术:激光振荡器,脉冲整形器,电光和磁光隔离器,空间滤波器,组合式多程放大器,频率变换器。

②激光和光学技术:超短脉冲激光技术,光纤和集成光学技术,半导体二极管泵浦技术,自适应光学技术,二元光学技术等。

③光学元件:高光学质量(∃n ~10-6量级、高破坏负载(15~
18J c m 2
、大尺度(350mm ×350mm 或更大的钕玻璃、光学玻璃、石英玻璃、非线性晶体等材料,及若干特种功能材料。

④光学薄膜:与光学材料匹配的大口径、高负载、多波长和多种功能的光学薄膜,如增透膜、高反膜、分光膜和偏振膜等,除采用真空镀膜工艺外,还将大力发展和应用So lgel 镀膜技术。

⑤精密光学冷加工和检测:大口径、1 10波长平度、015mm 表面粗糙度的光学冷加工和相应的检测手段,以及对大口径晶体材料(如KD P
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43・大自然探索1999年第1期(总第67期
的金刚石车床切削加工,建立和完善相应的检测手段,如移相式干涉仪、哈特曼波面测量仪、计算全息波面实时测量仪、粗糙度测量仪等。

⑥高精度诊断和测量(超快时间、大口径空间、宽光谱、高能量:具有微米级空间分辨率的焦斑测量、具有皮秒级时间分辨率的脉冲测量、2%精度的紫外光能量测量、时间分辨的光谱测量、动态范围达4个量级以上的光强分布测量等。

⑦电工技术:激光器的电源是一个庞大的电工系统,工作方式是单次储能和脉冲放电,储能能量(电能约30M J ;以闪光灯(氙灯为负载放电,脉冲宽度一般为015~2m s ;并行的放电路数约为2000路;多
路放电的时间同步精度要求5~10Λs ;一般
用电容器作为储能元件,充电电压重复精度要求0105%~0101%,充电电压25kV ,每路放电的峰值电流约10kA 。

为此,要有效地防
止强电干扰,研制高比能电容器(1kJ dm 3
,是提高性能、降低成本的重要途径。

⑧精密机械和真空系统:在驱动器系统中,每个激光束要经过数百米的长光路和数百个元件,最后60个花束以极高精度聚焦到微型聚变靶丸上,瞄准精度为115″左右。

因此对整个系统的机械结构都有严格的要
求,尤其是对靶场系统的要求。

初步估计,在靶场中约需250台口径为500mm 的伺
服反射镜,而且要以不同的角度分布安放在20m 高的桁架上,反射镜和桁架结构的稳定性和调整精度都要满足秒级要求,难度是很大的。

此外,I CF 靶室还是一个大型的真空系统,最大容积约60m 3,
真空度要求10-6乇(空腔时。

将从传统的分
子泵、离子泵发展到高抽速的低温冷凝吸附泵。

不论何种类型的真空泵,都要求尽可能低的振动,以免影响光学对准的精度。

⑨计算机和自动控制技术:光路自动准直和靶瞄准,多媒体运行指挥系统,仿真模拟技术,以图像为主的数据采集和处理;
第三代计算机辅助设计。

实验室环境工程(地基、建筑、洁净,恒温、低温度:主实验室的使用面积约在1万
m 2
以上,要求恒温到012
~015℃;相对湿度小于50%(最好小于40%;洁净度分别为
100级、1000级和10000级;地基必须隔振,
振幅要小于几微米等等。

上述各项技术要求,大多数达到有关领域的“顶级”水平,同时,还要求能较大幅度地降低造价,因此,必须有显著的创新,才能同时做到高水平和低造价,这无疑将大大推动技术进步,向国际先进水平迈进。

为了进一步发展我国I CF 事业,1993年国家863高技术建立了I CF 项目主题
专家组(863—416,组织全国有优势的单位和专家,从靶物理(包括理论和实验、驱动器、诊断设备和制靶等方面进行全面研究,目前已取得很大进展。

I CF 事业的最终成功需要几代人的努力。

在王淦昌、王大珩、于敏等老一辈科学家带领下,经20多年奋斗,已取得了瞩目成果。

当然,从历史的长剧来看,这不过是一个序幕,还不是高潮,
高潮还在后头。

21世纪的惯性约束聚变研究将是年青一代科技工作者大显身手的舞台。

(收稿日期:1998207216
责任编辑赵钢
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