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投资30亿欧元:法国兆焦激光器最新进展情况

2015-01-28 10:08
瑾年Invader
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  法国兆焦激光器(LMJ)计划投资规模为30 亿欧元,建筑在法国的Atlantic 海岸,采用了与美国的NIF 装置类似的设计方案。2014 年底完成了一个放大激光链的建设。LMJ 的项目负责人Pierre Vivini 透露,在接下来的两年内,该装置的主要目标瞄准点火开展研究,至于基于激光聚变的清洁能源方面的研究留给外围科学家进行,这就为LMJ 在实现点火方面比NIF 有更大的把握。

  和NIF 类似,LMJ 的种子脉冲激光为1053nm 的红外激光,能量在nJ 水平,脉宽在ns 水平,随后通过钕玻璃构成的预放大器,输出能量达到焦耳量级,随后分成多束激光,注入由更大口径钕玻璃构成的主放大器,LMJ 有22 个主放大链,每个放大链条包括8 路激光束。LMJ 采用了NIF 的四程放大技术,将输入能量放大约20,000 倍。然后采用放大器编组将176 激光束引导至终端光学元件,使用非线性晶体将红外光转换为紫外光后进入靶室,同时作用在针状的靶丸上,所有的激光束共有1.5MJ 的能量,相当于以140 公里/小时的速度行进的2 吨重的卡车携带的动能。NIF 装置可以放出1.8MJ 的能量。

  由于受到资金的制约,目前仅完成一个主放大链条。但CEA 的核武器研究负责人Fran.ois Geleznikoff 说:“不需要所有激光,目前的8 束激光同样可以做一系列物理实验。”另外,LMJ 以每年完成两个链条(共16 束激光)的速度推进项目建设,预计10 年左右完成。到那时,每年可以用20%的机时进行激光聚变能研究。法国theUniversity of Bordeaux 的等离子物理专家Dimitri Batani 说:“如果每年进行50 发次的物理实验,我们可以深入进行激光聚变能研究。”

  LMJ 项目与NIF 典型差别在于在LMJ 的装置中增加了单独一路激光PETawattAquitaine Laser (PETAL),其能量为3.5kJ,脉宽为ps 量级,脉冲的功率达到几个拍瓦,较LMJ 装置ns 脉冲输出光束高100 倍。PETAL 脉冲仅从一个方向辐照靶丸,时间与激光主脉冲同步,在实验中可以提供瞬时的高功率用于点火触发或者作为频闪光束用于成像诊断。

  组合PETAL 和LMJ 的实验条件,可以模拟星际空间环境。研究人员可以使用如此强的激光去加速质子,做用于肿瘤治疗的紧凑型加速器。对于激光聚变研究的科学家而言,最令人期待的是超短超强脉冲触发聚变反应的功能。

  对于聚变能研究而言,其核心问题为靶丸设计,该靶丸包含用于聚变反应的氘氚材料,靶丸放置在靶室中心,激光辐照靶丸时可以产生引起靶丸外围烧蚀层材料烧蚀,其反作用力推动靶丸压缩至100 倍的铅密度及1 亿度的高温,从而实现点火。

  对于NIF 和LMJ 的武器研究人员而言,目前采用了简介驱动的点火方式,但靶的设计非常复杂,制作成本高,不适合进行激光聚变能应用。为此,选择了直接驱动的点火方式,可以避免紫外光向X 光转换过程能量损失及降低靶设计的复杂性。为了获得对称压缩,需要延长靶压缩时间,此时很难获得足够的能量实现点火,因此需要额外的激光辐照进行触发,此类点火方式为快点火。Osaka University 首先进行了快点火的尝试。

  最近低功率实验表明,PETAL 的能量达不到快点火的要求。University of Rochester 首先尝试了冲击点火,首先使用主激光脉冲进行靶丸压缩,在脉冲后沿,提升激光的功率生成冲击脉冲,当冲击脉冲达到靶丸中心时,瞬时冲击触发了反应。

  Rutherford Appleton Laboratory实验室Central Laser Facility的聚变专家及HiPER的负责人Chris Edwards评价说:“Omega装置的实验确实令人鼓舞,冲击点火的要求比快点火要低一些。”

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