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