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中国科学家谈NIF激光器未能实现点火事件:言败尚早

2016-07-18 00:07
野明月
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  美国能源部(DOE)所属的国家核安全局(NNSA)针对惯性约束核聚变(ICF)提出了一个新计划:将2020年作为确定NIF能否实现点火目标的最后期限。这个新计划,引起了激光聚变领域的广泛关注。

  近日,中国激光杂志社编辑采访了High Power Laser Science and Engineering(HPL)执行主编、国内激光聚变研究科学家、中科院上海光机所朱健强研究员。

  编  辑:NNSA认为,计算机模拟预测NIF能够达到点火条件,但缺少对物理可行性的掌握,再加上失败的大科学项目管理,造成NIF无法点火现状。您怎么评价?

  朱健强:首先,NIF未能实现点火,原因是复杂的。实现聚变点火的理论和实验并不是两个孤立的部分,不能把它们分开来,理论和实验是相互促进、共同发展的关系。这类理论模型并非一个确定的数值方程,需要在原设计的基础上不断进行实验,通过实验结果分析再反过来完善这个模型。从美国已经开展的物理实验来看,他们也试图通过改变黑腔直径、采用高足脉冲等途径开展实验,这些并不是原来理论预先确定的。在目前有限发次的实验上,实验结果与理论预期出现了不符,为此美国已经提出了未来几年内继续开展激光聚变研究的计划框架。尽管目前没有实现聚变点火,但美国始终没有放弃这一目标,估计后续还会有研究计划,推动聚变点火。

  NIF在设计之初由于受经济预算约束,设计的通量负载过高,导致终端光学元件损伤严重,影响了原定的三倍频激光输出。按照NIF激光驱动器的基频输出和三倍频输转换效率,NIF应该具有2.5MJ左右的能量输出,但事实上目前绝大多数的实验发次都在1MJ以下。所以目前NIF的运行还无法在1.8MJ的输出能量下有效地开展多发次物理实验,也为实现点火的能量点和实验方式增加了几分不确定性。

  NIF前主任MichaelCampbell也认为NIF存在一些问题,运行发次太少,实验数据太少,很多物理问题无法了解清楚。

  美国目前的聚变研究方式是从低值探索,寻找点火的能量阈值,而不是采用很高的输出能量实现点火进而找到点火的能量阈值,这也增加了点火的难度。NIF最初的理论模型中,实现点火所需的能量预测是在1~10MJ范围中,最终劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家选择了1.8MJ作为点火能量,这或许也是未能实现点火的原因之一。

  编  辑:美国海军实验室激光核聚变项目的前负责人Stephen Bodner一直认为NIF或Omega无法实现聚变点火,也有其他一些人持同样观点。您如何评价这样的争论?

  朱健强:在激光聚变技术的发展过程中,多种观点一直并存,这也是科学发展的一个动力。对于一个大型科学装置计划来说,如果没有争论的声音并不一定是好事。

  Stephen Bodner的观点是有一定依据的,如他所说,激光的高相干性会导致出现调制的现象,在压缩的过程中会出现不稳定,对燃料实现高温高密度压缩带来困难,但我们也不能完全同意他的看法。KrF激光器虽然具有波长短,光斑均匀的优点(具体可以读StephenBodner于2013年发表在High Power Laser Science and Engineering发表的文章),但作为点火驱动器,增益介质的储能密度太低,无法实现高功率和大能量的输出。

  NIF采用了间接驱动方法,Omega采用直接驱动方案,美国能源部一直都在同时发展两类驱动方式的实验研究。现在看来,不同的驱动方式对探索点火途径是十分重要的,从美国未来的激光聚变研究实验安排上,就可以看到直接驱动的实验发次很多,我们要仔细探究并理解这些实验对间接驱动点火物理的机理贡献。直接驱动与间接驱动并不是两种完全对立的实验手段,而是研究聚变点火实验物理时各有所长,互有补充,这点在美国未来的实验安排上已经得到印证。NIF与Omega之间这种竞争与协作的关系,互相促进,共同发展,使得美国在这个领域一直处于世界领先地位。

  编  辑:虽然暂时遇到了一些困难,但不可否认NIF在21年的发展过程中做出了很多创新的工作,请简要介绍一下。

  朱健强:是的,NIF到目前为止尚未实现点火,但NIF为激光领域带来的发展是有目共睹的。作为一个大型激光装置,它的建成和运行具有重大的意义。在NIF发展的过程中,带来了激光技术的“七大奇迹”。另外,实现点火、解决能源问题只是NIF的三大使命之一,其他的两大使命分别是核武器库存和高能高密度物理研究。即使在不点火的前提下,NIF也为这两大使命提供了实验平台,对该领域的科学技术发展有重要作用。

  编  辑:如果NIF能在不久的将来实现点火,在您看来从在实验室的聚变点火到真正的聚变电厂之间还有多远?

  朱健强:实现点火并不是最终目的。在大型装置上点火成功到能够真正地使用这一清洁能源,还有很长的路要走。目前实验室的点火研究是单次的,而作为聚变能源,需要有一定的重复率。这意味着,将来即使聚变点火成功,用于聚变能源所采用的技术路线会完全不同于现在,需要用新型激光介质和半导体激光作为抽运源,实现高重复率。纵观整个科学技术史,一项技术从实验成功到实际应用,都需要很长的时间来实现。

  编  辑:最后,请您做一下总结。

  朱健强:虽然NIF在近几年内无法实现点火,但这不代表点火是不可实现的,NIF的实验仍然在继续。这项工作的重要性决定了我们需要全面了解目前美国的状况,同时继续探索机理,发展技术,理性判断,补足短板。

  实际上,国内的科学家已经利用规模远小于美国NIF的高功率激光装置开展了卓有成效的原创性研究工作。例如,在实验室天体物理方面,上海交通大学张杰院士团队在上海光机所联合实验室的神光II装置上成功模拟了重要的天文现象——太阳耀斑中环顶X射线源和重联喷流。张杰院士也因此突出贡献在2015年获得激光聚变领域国际最高奖——爱德华·泰勒奖。

  由此可见,聚变点火这类前所未有的科学目标,给我们提供了无限的研究空间,也给我们提出了很多挑战,是继承发展还是发展继承?继承发展类似于一种跟踪,发展继承是有自己的独立判断。聚变点火研究,需要我们有理性的分析判断,对复杂的机理问题不能简单地借鉴美国同行的思路。中国激光聚变研究的历史表明,我们曾经做出了记入史册的历史贡献,也将会对聚变点火的未来研究做出我们的贡献。

  大家应该注意到,上篇报道中也提到了中国的研究工作,这足以表明中国在激光聚变点火研究方面的实力。聚变点火是世界梦,也是中国梦!

  人物简介:

  朱健强,上海光机所研究员,高功率激光物理联合实验室主任,长期从事激光驱动器发展研究。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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