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未来能源——激光核聚变是否会一场空?

  难以驯服的等离子体让科学家们不断受挫,但同时也让他们萌生了另辟蹊径的想法。20世纪70年代能源危机发生时,通往核聚变的另一条平行的研究计划也诞生了,科学家希望这条新的途径能够避免磁约束等离子体中遇到的一些问题。这些技术用许多束激光去压缩和加热一个由氘和氚构成的靶丸。这项研究在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室展开,一开始使用的只是一个能够发出两束激光的简单试验台。激光功率的提升使试验设备不断升级,1977年启用“湿婆”激光器,1984年又启用了“新星”激光器。每次新激光器的使用都打破了利弗莫尔实验室自己保持的、激光核聚变最强大爆炸的世界纪录,但是跟磁约束一样,它们仍然没能达到“收支”平衡,即聚变释放能量等于激光输入能量。要想做到这一点,利弗莫尔实验室需要一种新激光器,激光功率要在过去的基础上再提高70倍。到了1997年,新激光器开始建造,这就是美国国家点火装置(NIF)。NIF于2009年5月建成完工,轰动一时。今年晚些时候,NIF将开始氘-氚聚变实验,这将是人类探索核聚变的又一个重要里程碑。

  虽然ITER的聚变原理要早于NIF,但似乎项目进展却落在了NIF之后。据《自然》杂志报道,预计在2019年ITER核聚变装置将完成建设,比预期的要晚1年,比NIF晚了整整10年。而第一次ITER氘-氚聚变试验则计划在2026年进行,比NIF要晚15年左右。

  中国核聚变装置发展历程

  神光装置是我国自行研制的高性能高功率钕玻璃激光装置,现在已经发展到神光Ⅱ阶段。

  神光Ⅱ装置建于上个世纪90年代,是当前我国规模最大、国际上为数不多的高性能高功率钕玻璃激光装置。它在规模上处于世界上正在运行的同类装置的第四位,2000年运行以来性能稳定,光束质量及运行输出指标要求已与当今国际高水平的大型激光驱动器光束输出质量水平相当,具备了高水平运行的综合技术能力。该装置上进行的物理实验已取得一系列阶段性重大成果,其中惯性约束聚变直接驱动打靶,获得单发4×10中子,是国际同类装置获中子产额的最好水平,为我国惯性约束聚变研究做出了重大贡献。

  神光Ⅱ为我国惯性约束聚变、X光激光、材料在极高压状态下的参数测量等前沿领域开展科学研究提供不可替代实验手段,是该领域的重要实验平台。

  它的建成并投入运行,标志着我国大型强激光和激光核聚变研究跨上一个新台阶,跻身于世界前五强,对提高综合国力具有重要意义。超强超短激光技术,是在1000万亿分之几秒的超短瞬间,产生相当于全世界电网数倍功率的超强激光,这是上个世纪90年代以来强激光技术伴随着现代科学发展产生的一项尖端高新技术。这项高新技术,可以揭示物质和化学反应过程中快速演变的科学奥秘,同时也可以模拟出只有在天体或核爆炸过程中才可能有的高压、高温、高密度的极端物理条件。更具有重大科学意义的是,开拓了激光和物质相互作用的新理论、新方法,开创了强场物理这一新的物理学发展方向,直接推动了激光与生命科学、材料学、信息科学等前沿交叉领域的学科发展。

  神光Ⅱ阶段性成果的推广应用不仅为即将建造的下一代激光装置提供极为宝贵的科学技术经验,而且带动了我国材料科学(激光玻璃、激光晶体、非线性晶体)、精密光学加工与检验(λ/10高平面度、低粗糙度、大口径光学元件研磨技术、金刚石车床飞刀切削大口径KDP晶体技术)、介质膜和化学膜层技术、高质量大口径氙灯工艺、精密机械和装校工艺及高压电能源系统、快速电子学、控制电子学、二元光学技术等相关学科或技术的跨越式发展。而这些相关学科技术在国民经济中的应用前景将是相当可观的。

  神光系列装置研究的最终目标是实现激光受控热核聚变“点火”。

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