惯性约束聚变能源与激光驱动器讲解
第 18卷第 67期大自然探索 V o l . 18, Sum N o . 67 1999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员
国家高技术 863— 416
聚变能源是一种“干净的”
的能源。研究进展表明 ,
80年代末 , 美国用
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
“聚变” 。太阳的巨 , 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n Σ值要达到 1014s c m 3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
? 1 3?
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 增益。
点火 , , 。在实验室演示 I CF 。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 , , 从而 , 近年来 , 提出了一种新的 , 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
?
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
是
益。
N IF :
: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 1~100kJ 100次
产额为 100~500kJ 35次
产额为 5~10M J 10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, 且年生产率达到 1亿个 ;
(4 。 ,
。用 :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
? 3 3?
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。输出两束口径为 200mm 光的峰功率达1012s 100p s , Λm ,
可倍频到 018年 , 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; ② 2000年前后 , 研制“神光2 ” 装置的双路原型—
2kJ 3Ξ; ③ 2005年前后 , 建立“神光2 ” 装置—— 60束、60kJ 3Ξ; ④ 2010年前后 , 研制” 装
置——点火装置。
神光 , 必将全面带动 , 是我国综合国 , 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
?
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 , 放电的峰值电流约 10kA 。为此止强电干扰 , , , 每个激光束 , 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 ; ,
振幅要小于几微米等等。
, , , , 才能同 , 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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53?惯性约束聚变能源与激光驱动器
惯性约束聚变能源与激光驱动器讲解
第 18卷第 67期大自然探索 V o l . 18, Sum N o . 67 1999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员 国家高技术 863— 416 聚变能源是一种“干净的” 的能源。研究进展表明 , 80年代末 , 美国用 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 “聚变” 。太阳的巨 , 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n Σ值要达到 1014s c m 3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 ? 1 3? 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
惯性约束核聚变
惯性约束核聚变 核能的安全使用是缓解能源危机的有效途径。相对于核裂变，核聚变具有无放射性，单位质量提供的能量多等优点，而且地球上核聚变物质储量远远多于核裂变物质储量。实现受控核聚变。 聚变的原理： 他们是利用加速器或其它方法使原子核相互碰撞, 从而得到或失去能量。 要实现受控核聚变，必须满足两个基本条件，一是必须将燃料加热到很高的热核反应温度；二是，必须在足够时间长时间内将高温高密度等离子体约束在一起。Lawson 判据限定了实现核聚变的具体条件，即受约束的等离子体必须达到一定的密度n 、温度T 及约束时间τ。对氘氚反应，)/(109.3311mm s n ?≥τ，T 约为K 810。 有两种方法，实现受控核聚变。一是磁约束聚变（Magnectic Confinement Fusion ，MCF ），就是利用磁场将带电离子约束住，使之发生聚变的反应。二是激光驱动惯性约束聚变，就是基于氢弹原理，即利用高能激光驱动器在极短时间将巨变燃料小球（靶丸）加热、压缩到高温、高密度，使之在中心“点火”，点燃后继核反应实现受控核聚变，从而获得干净聚变能源。
聚变过程可分为四个阶段：一、强激光束快速加热氘氚靶丸表面，形成等离子体烧蚀层；二、驱动器的能量以激光或X 光形式迅速传递给烧蚀体，使之加热并迅速膨胀；当壳体外部向外扩张时，根据动量守恒定理，剩余部分则向中心挤压，反向压缩燃料； 三、向心聚爆将靶丸压缩至一定程度，使氘氚燃料达到高温、高密度状态，在靶丸中心形成热点；四、热核燃烧在被压缩的燃料内部蔓延，使主体燃料发生聚变反应，产生数倍的能量增益，从而产生大量的聚变能输出。 现在的惯性约束核聚变存在以下问题: 一、激光和离子束功率没有达到足够大； 二、激光必须照射均匀，小球壳本身厚薄均匀； 三、目前的爆炸方法有待改进。 ICF 研究进展 自从60年代初激光器问世以后，中、美、日、前苏联等国即着手激光驱动ICF 研究，多年来ICF 研究已在世界范围内取得了重要进展。但目前仍处在科学上可行性研究 阶段，即掌握主要环节的靶物理规律，实现实验室演示点火目标。为此需要驱动器（主要是高功率、高能量激光器）、靶物理理论和实验、精密诊断设备、靶的制备五个方面协调研究发展。下面主要介绍美、法、日等国在激光驱动器和靶物理方面的研究发展情况。 美国 从1975年至今，已建立了6代固体激光器，输出功率提高了近5个量级。 1985年建成了当时世界上最大的固体激光器NOV A ，脉宽约1ns ，10路、三倍频，能量（下同）输出约20KJ 。1994年NOV A 完成精密化，能量升级至40KJ 。 1995年在Rochester 大学建成固体激光器OMEGA （1ns ，60路、约45KJ ）。 正在建造国家点火装置（NIF ），3~5ns 、,192路、1.8KJ ，预计2005年前后建成。目前能源部的一个专门小组正在对NIF 的技术进行评估。 拍瓦（W 1510）装置（1ps 、1路、1KJ ）正在运行。 法国 PHEBUS 装置约1ns 、2路、KJ 42?正在运行。 在美国帮助下正在研制百万千焦LMJ ，3~5ns ，240路，1.8MJ ，预计2010年建成。 P102超短脉冲激光器，约350fs ，1路，55TW 我国 1964年，王淦昌在国际上独立提出激光驱动聚变的建议，由此开始了我国ICF 研究历史。80年代初中国科学院与当时九院合作研究促进了我国ICF 的发展。1993年，国家高技术863计划成立了惯性约束聚变主题专家组后，规划了国家ICF 发展目标，并在驱动器、靶物理理论和实验、精密化诊断设备、靶的制备五方面研究取得了重大进展，为进一步的研究打下了重要基础。 经过早期几代固体激光器的研制，1986年建成神光一号（SG-1）———当时称为LF-12，脉宽1ns 、2路、基频能量为J 8002?，1994年退役；与此同时建成了星光装置（1ns 、1路），目前输出能量约100J 。 1994年决定建造∏-SG ，1ns 、8路、6KJ ()?1、3KJ （?3），经过改造，2000年已开始投入运行。 1996年开始进行,I∏-SG 原型概念设计。I∏-SG 为60路、1ns 、输出到靶面的总能量为60KJ （?3），它是我国进行点火前靶物理并外推到点火物理研究的驱动器，约
【CN109959347A】激光差动共焦核聚变靶丸形态性能参数测量方法与装置【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910175919.7 (22)申请日 2019.03.08 (71)申请人 北京理工大学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 赵维谦 王允 邱丽荣 (74)专利代理机构 北京理工正阳知识产权代理 事务所(普通合伙) 11639 代理人 邬晓楠 (51)Int.Cl. G01B 11/255(2006.01) G01B 11/24(2006.01) G01B 11/06(2006.01) G01B 11/00(2006.01) G01N 21/65(2006.01) (54)发明名称 激光差动共焦核聚变靶丸形态性能参数测 量方法与装置 (57)摘要 本发明公开的激光差动共焦核聚变靶丸形 态性能参数测量方法与装置，属于共焦显微成 像、光谱探测及激光惯性约束核聚变技术领域。 本发明将激光差动共焦技术与拉曼光谱探测技 术结合，利用激光差动共焦技术对激光聚变靶丸 壳层的内、外表面进行精密层析定焦，利用拉曼 光谱探测技术对靶丸壳层和界面进行光谱激发 探测，并进一步通过正交回转驱动技术对靶丸进 行三维回转驱动获得靶丸的内/外表面三维形态 参数和壳层/界面性能分布参数等，实现核聚变 靶丸形态性能参数综合测量。本发明能够为激光 惯性约束核聚变仿真实验研究、靶丸制备工艺研究和靶丸筛选提供数据基础和检测手段。本发明在激光惯性约束核聚变、高能物理和精密检测领 域有广泛的应用前景。权利要求书3页 说明书6页 附图3页CN 109959347 A 2019.07.02 C N 109959347 A
我国激光惯性约束聚变实验研究进展
中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2009年 第39卷 第11期: 1571 ~ 1583 https://www.wendangku.net/doc/154938388.html, https://www.wendangku.net/doc/154938388.html, 《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 我国激光惯性约束聚变实验研究进展 江少恩*, 丁永坤, 缪文勇, 刘慎业, 郑志坚, 张保汉, 张继彦, 黄天晅, 李三伟, 陈家斌, 蒋小华, 易荣清, 杨国洪, 杨家敏, 胡昕, 曹柱荣, 黄翼翔 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 绵阳 621900 * E-mail: jiangshn@https://www.wendangku.net/doc/154938388.html, 收稿日期: 2009-03-15; 接受日期: 2009-08-02 国家高技术研究发展计划和国家自然科学基金(批准号: 10775120)资助项目 摘要 介绍国内自2000年以来的激光惯性聚变(inertial confmement fusion, ICF)实验研究进展, 主要内容为神光Ⅱ激光装置上的实验, 也对刚建成不久的神光III 原型装置上的实验作简要介绍. 在神光Ⅱ激光装置上开展了多项的物理实验研究, 进行了系列综合和分解实验, 获得的主要实验技术指标为: 黑腔峰值辐射温度超过二百万度; 辐射驱动DT 聚变中子产额达108和辐射驱动压缩DD 燃料密度超过10倍液氘密度; 辐射不透明的样品温度接近100 eV. 在神光II 装置上得到这些结果表明国内在惯性约束聚变研究方面取得了显著的进步. 随着神光III 原型装置建造的完成, 2007年在该装置上进行了首轮物理实验, 开展了黑腔物理和辐射内爆物理实验, 首轮实验的成功说明神光Ⅲ原型装置已具备实验能力. 关键词 激光聚变 神光II 激光装置 神光III 原型装置 激光惯性聚变(ICF) 在地球上实现受控热核聚变反应, 将可能为人类提供丰富、经济、安全的能源. 惯性约束聚变(ICF)是实现受控热核聚变很有希望的途径之一, 它是通过内爆对热核燃料进行压缩, 使其达到高温高密度, 在内爆运动过程中惯性约束下实验热核点火和燃烧, 从而获取聚变能的方法. 激光聚变是用激光作为驱动源的. ICF 领域研究工作的开展无论对国民经济、 军事应用, 还是对于基础研究探索都有着重要而特殊的意义. ICF 早已成为当代重大而难度大的国际高科技研究课题, 为了演示点火和聚变燃烧, 世界各地都在进行兆焦耳激光器拍瓦激光器高重复率能量驱动器的运转和建造, 美国于2009年建成国家点火装置(NIF)[1], 法国正在加紧建造兆焦激光装置(LMJ)[2]. ICF 的基本思想是: 利用激光或离子束作驱动源, 脉冲式地提供高强度能量,均匀地作用于装填氘氚(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面, 形成高温高压等离子体, 利用反冲压力, 使靶外壳极快地向心运动, 压缩氘氚主燃料层到每立方厘米的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(离子温度Ti>5 keV, 燃料的面密度ρR hs > 0.3 g/cm 2), 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. 采用激光产生的惯性约束聚变称为激光聚变. 利用激光产生驱动惯性约束聚变内爆需要的能流和压强可采用两种途径(见图1). 在直接驱动中, 多束激光束直接均匀辐照含有热核燃料的聚变靶丸, 激光能量被靶丸外层低密度的冕区中的电子吸收, 电子热传导将能量输运到靶壳的高密度区, 驱动烧
激光原理及应用 - 激光核聚变
激光核聚变 激光核聚变（laser nuclear fusion）是以高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变。在探索实现受控热核聚变反应过程中，随着激光技术的发展，1963年苏联科学家N.巴索夫和1964年中国科学家王淦昌分别独立提出了用激光照射在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应的构想，开辟了实现受控热核聚变反应的新途径激光核聚变。激光核聚变要把直径为1毫米的聚变燃料小球均匀加热到1亿度，激光器的能量就必须大于1亿焦，这在技术上是很难做到的。直到1972年美国科学家J.纳科尔斯等人提出了向心爆聚原理以后，激光核聚变才成为受控热核聚变研究中与磁约束聚变平行发展的研究途径。 1、基本原理 激光核聚变中的靶丸是球对称的。球的中心区域（半径约为3毫米）充有低密度（≤1克/厘米3）的氘、氚气体。球壳由烧蚀层和燃料层组成：烧蚀层的厚 度为200—300微米，材料是二氧化硅等低Z（原子序数）材料；燃料层的厚度约300微米，材料是液态氘、氚，其质量约5毫克。有的靶丸的中心区域是真空，球壳由含有氘、氚元素的塑料组成。有的靶丸则用固体氘、氚燃料，球壳由玻璃组成。 当激光对称照射在靶丸表面上时，烧蚀层表面材料便蒸发和电离，在靶丸周围形成等离子体。激光束的部分能量在临界密度层处（该处的等离子体频率与入射的激光频率相等）被反射掉，另一部分能量则被等离子体吸收并加热等离子体。等离子体的热量通过热传导穿过临界密度层向烧蚀层内传递，烧蚀层材料蒸发并向四周飞散产生反作用力（类似火箭推进原理），将靶丸球壳向靶心压缩（爆聚）产生传播的球形激波，使靶丸内氘、氚燃料的密度和温度增加，这种效应称为向心爆聚。如果激光脉冲的波形选得合适，则向心传播的球形激波可会聚到靶丸球心区域，使球心区域一部分氘、氚燃料优先加热，形成热斑。当热斑中的温度高到足以产生聚变反应时，则释放出的聚变能量就可驱动通过靶丸径向向外传播的超声热核爆炸波，并在靶丸物质移动之前就能将燃料层的聚变燃料加热并产生聚变反应，最后将烧蚀层毁掉。因此，激光束的能量仅用于产生向心爆聚和加热靶心的热斑燃料上，不需将整个靶丸均匀加热到热核聚变温度，从而降低了对激光器功率的要求。
磁约束聚变现状研究汇总
1 前言 能源是社会发展的基础，化石燃料不仅储量有限，而且会造成严重的生态环境破坏和污染，预期200多年后，人类将面临严重的能源枯竭问题，因此，必须 尽快完成战略新能源的开发研究。在一系列的新能源中，核聚变能是最理想的清洁新能源。 核聚变反应包括氘氚反应、氘氦反应、氢硼反应等，其中氘氚反应在地球上最易实现，因其反应资源存在于海水中，一旦实现受控热核聚变，海水将成为人类取之不尽用之不竭的资源。这需要氘或氚，在一定条件下(如超高温和高压)让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核(如氦)，中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。 2 惯性约束聚变装置简介 现有的可控核聚变约束手段主要有两种，一种是惯性约束，一种是磁约束。 惯性约束是指利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是:利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料(氘、氚)形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短 时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。该项 研究主要在美国的国家点火装置（NIF），中国的神光-Ⅲ主机装置，如图1所示。 (a)
(b) 图1 (a)国家点火装置 (b)神光-Ⅲ主机装置 美国的国家点火装置位于加利福尼亚州的利弗莫尔国家实验室，在过去的一段时间里，其工作人员一直致力于将192束激光集中于一个花生米大小的、装有氢粒子的目标上。当能量为500太瓦的激光撞击到装有氢粒子的目标上后，会产生X光粒子，使得重氢原子和超重氢原子产生聚变，这种聚变使得少量物质转变为巨大能量。但由于技术问题，该项目在2012年末将工作重点由聚变能研究领域重新转回到核武器试验上。 我国的“神光-Ⅲ主机装置”，已在2015年由中物院基本建成。作为亚洲最大，世界第二大激光装置，神光-Ⅲ主机装置共有48束激光，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60万亿瓦。 3 磁约束聚变装置简介 磁约束聚变是指用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、 处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。 自上个世纪60年代中期以来，各国科学家先后建成的磁约束装置包括托卡 马克、仿星器、反场箍缩、磁镜、多级场等。 3.1 托卡马克 托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈，最初是由位于前苏联莫斯科的库尔
可控核聚变与ITER计划_冯开明
第23卷第5期2006年10月 现代电力 M odern Electric Pow er V o l123N o15 O ct12006 文章编号:1007-2322(2006)05-0082-07文献标识码:A中图分类号:T M63112+4 可控核聚变与ITER计划 冯开明 (核工业西南物理研究院,四川成都) 摘要:本文简要介绍了我国能源的基本情况,核聚变能和可控核聚变的基本原理,国际热核聚变实验堆ITER的历史与现状。最后,对我国磁约束核聚变的研究发展做了简要回顾。 关键词:可控核聚变;ITER计划;磁约束;托卡马克 0引言 能源是社会经济发展的物质基础,随着社会的发展和人类文明的进步,人类对能源的需求也越来越大。从化石燃料提供的能源来看,地球上的化石燃料资源有限,煤储量有可能维持200年左右,石油、天然气仅能维持几十年;另一方面大量使用化石燃料,特别是煤炭,造成了严重的环境污染,而且能源结构单一,经济效益不合理。我国有13亿人口,目前的人均能源消耗仅为世界人均能耗的1/2,发达国家的1/40,主要能源是煤,而人均占有量远远低于世界水平。中国GDP正以年增长7%~8%的高速度发展,预计到2050年我国人口将增至15~16亿,根据国家发展远景规划,届时我国的人均GNP将为4000~6000美元,对能源将有巨大的需求。因此,我们将比其他任何国家更快遇到能源短缺和大量使用化石燃料造成严重环境污染的问题。从长远来看,核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源,人类将从/石油文明0走向/核能文明0。目前我国正在运行的核电站都是核裂变电站。核裂变虽然能产生巨大的能量,但远远比不上核聚变。另一方面,裂变堆的核燃料蕴藏极为有限,而且存在棘手的废物处置问题。因此,核聚变能被称为人类未来的永久能源。 从我国巨大的能源需求、资源的限制、环境的压力和核聚变研究进展来看,发展聚变能是改善未来能源结构,推动在半世纪实现能源顺利换代的根本出路。经过近半个世纪的努力,国际聚变研究已经取得长足的进展,由欧盟、中、日、俄、美、韩、印七方参与的国际热核聚变实验堆IT ER计划,已经进入建设阶段。为此,有关部门已经将磁约束核聚变研究列入国家中长期科技发展规划,推动我国核聚变研究的发展。 1核聚变能是理想的能源 太阳的能量来自轻核聚变反应。太阳每秒将6157亿吨氢聚变成氦,亏损的质量转化成巨大的太阳能,成为支持太阳系统内一切活动的能量源泉。氘-氚聚变反应将释放巨大的能量,一升海水中含30m g氘,通过聚变反应可释放出的能量相当于300多升汽油的能量,而反应产物是无放射性的。这就是说,1升海水可产生相当于300升汽油的能量。一座100万kW的核聚变电站,每年耗氘量只需304kg。据估计,天然存在于海水中的氘有45亿吨,把海水中的氘通过核聚变转化为能源,按目前世界能源消耗水平,足以满足人类未来几十亿年对能源的需求。但是在地球上实现持续的轻核聚变反应,要求相当苛刻的条件。它要求产生热核聚变的等离子体维持足够高的温度、密度的约束时间,达到劳逊条件(温度@密度@能量约束时间,或称聚变三乘积)。例如,实现氘-氚聚变反应的条件是:等离子体温度达2亿度,同时粒子数密度达1020m-3,能量约束时间超过1s。在这样极高的温度下,所有物质都变成完全电离的气体-等离子体。利用强磁场可以很好地约束带电粒子,将等离子体约束在一种特殊称为真空室的磁容器中,并将聚变燃料加热至数亿度高温,以实现可控聚变反应并获得聚变能。由于实现可控聚变的条件十分可观。因此,聚变能源的开发和应用,被认为是人类科学技术史上遇到的最具挑战性的特大科学工程。 核聚变能又是一种洁净安全的能源。聚变燃料是按一定速度和数量加入,任何时候在反应室内的聚变燃料数量都不大,在进行核聚变反应时,即使失控也不会产生严重事故。此外,它不产生二氧化碳和二氧化硫等有害气体,也不会像核裂变那样产
核聚变方式及装置、原理介绍
13SP02340600 《核工程概论及实践》 课程设计 核聚变装置原理及结构梳理 学号 姓名 院系 专业 完成日期 设计类型 得分
摘要 核聚变作为正在研究中的新能源，除了托卡马克装置以外还有包括仿星器、磁镜、反向箍缩和球马克在内的其它磁性约束装置；此外还有激光点火的惯性约束方案。本文主要介绍以上方案的原理和装置结构，由于接触时间有限，不对相关技术进行评价。 关键词：核聚变；托卡马克；仿星器；磁镜；反向箍缩；惯性约束
目录 摘要 ................................................................................................................................................... I 第一章托卡马克装置结构及原理. (1) 1.1约束的含义 (1) 1.2 托卡马克中磁约束的基本原理 (1) 1.3托卡马克系统的结构 (2) 1.4 本章小结 (4) 第二章其他磁性约束方式 (5) 2.1 仿星器 (5) 2.2 磁镜 (5) 2.3 反向箍缩 (6) 2.4 本章小结 (6) 第三章惯性约束方式原理 (7) 3.1 惯性约束的原理和实现 (7) 3.1.1 惯性约束的原理 (7) 3.1.2 实现手段 (7) 3.2 惯性约束聚变堆方案 (8) 3.3 本章小结 (8) 参考文献 (9)
第一章托卡马克装置结构及原理 托卡马克装置作为上世纪六、七十年代以来一直占据核聚变研究中心的聚变装置，目前在所有方案中取得的成果最为突出，如等离子体温度最高，（脉冲）功率最大，最先实现全超导等等，当然这得益于许多科学家的奉献和更多资金的投入。总的来说，尽管所有方案离商用发电都很遥远，但托卡马克是目前来看最有前途的聚变装置。 1.1约束的含义 核聚变必须使聚变材料的温度、密度和这种高温高压状态维持的时间（约束时间）的乘积满足劳森判据才能实现。 由于核聚变反应温度超高，即使最容易的氚-氘反应也要求反应温度大于5000万度才能大量进行；此时的核材料呈现为物质第四态——等离子态。 图1-1 日冕中的等离子体 等离子体是宇宙中很常见的物质形态，如太阳就是有等离子态的物质组成的，只不过如图1-1中日冕中等离子体温度为几千度，而聚变堆中由于体积限制，要求温度达到上亿度。 为了维持这类极高温的等离子体不消散掉，就需要各种各样非接触式的方法。首先想到的方法就是利用电磁场来约束带电的等离子体，而第二种方法则利用激光推动核材料聚集。 1.2 托卡马克中磁约束的基本原理 图1-2是ITER项目公布的托卡马克设计图，可以看到反应腔内等离子体截
惯性约束核聚变
惯性约束核聚变原理与反应堆技术 1.惯性约束基本原理 核能可分为裂变能与聚变能。目前，核电站通过受控释放裂变能实现发电，而受控核聚变仍处于研究阶段。实现受控核聚变反应主要有两种途径：磁约束和惯性约束。后者即以下内容讨论的主题。 惯性约束（ICF），即利用高能驱动器在极短时间内将聚变燃料小球（靶丸）加热压缩到高温、高密，使之在中心“点火”，实现受控核聚变。以氢弹的爆炸为例，位于其中心的原子弹的爆炸在极短时间内将氢弹中的热核装料迅速加热和压缩到高温、高密，引起燃料的聚变燃烧。由于这一过程非常短暂，在燃料膨胀但因自身惯性还没有来得及飞散之前，聚变反应就已经发生。这种未对燃料等离子体采取任何约束措施，只依靠本身惯性保持顺利完成核聚变就是惯性约束核聚变。但氢弹的爆炸是不可控的，激光器代替原子弹点燃热核反应使ICF成为可控核聚变。 激光的能量能在时间和空间上进行高度的集中，因此能在焦点上得到非常高的功率密度。现在惯性约束核聚变研究所用的激光器多数是钕玻璃激光器。而粒子束作为惯性约束核聚变的驱动器，原理与激光一样，只不过它是以粒子束来代替激光。所以想采用粒子束，是因为它的能量转换效率比之激光要高出一个量级。 2.反应堆相关 （1）能量流程 该系统中，假设驱动器输出的能量为E D，其效率为ηD，它通过反应室壁上的入射通道击中靶丸。靶丸聚变反应，产生相当于驱动束能Q倍的能量E f。再经反应室增值层的能量倍增（增值系数为M），并以热能的形式输出。发电机的热点转换效率为ηT，发电机发出的毛电能为E g，其中一部分输入电网，另一部分再循环。整个反应堆系统的效率为ηs，其定义为： ηs=纯电能输出/聚变反应的热能输出 系统效率可表示为： ηs=E g（1-ε）/ME f=ηT（1-ε）[(MQ+1)E D+γ(1/ηD-1) E D]/ME f （2）ICF聚变堆涉及的问题 1> 从理论上了解靶丸的能量吸收、反射、能量输运、压缩、不稳定性、点火和聚变燃烧等物理学。 2> 实验上获得高能量增益的关键因素的满意值。 3> 研制出高能量、高重复率、适当的脉冲形状、短波长和高效率的驱动器。 4> 制造出稳定的、精确的、廉价的、自动化的高增益靶丸生产系统。而且靶材料的选择要避免产生长寿命的放射性同位素。 5> 必须有一个经得起重复爆炸而不至于损坏的反应室（堆腔）。此堆腔能够吸收热核反应的产物——中子、X射线和靶丸碎片等的能量。它还能利用14MeV的中子去增值氚，以维持D-T反应中氚的消耗。 6> 要有一个靶丸的注入、导向和检测系统，确保靶丸以1~10Hz的频率注入反应室，而且当靶丸飞经驱动器的公共焦点时，驱动器发火，准确将靶丸击中。7> 要有一个泵浦系统。为避免入射的驱动束受到散射或衰减，该泵浦系统能在两次爆炸之间迅速地将反应室中的靶丸碎片和废气排出，使反应室重新恢复到新
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 ? 1 3 ? 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
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.67 1999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 ? 1 3 ? Ξ谨以此文缅怀惯性约束聚变研究先驱王淦昌院士
激光原理答案
作业一 1、布隆伯根(Nicolaas Bloembergen) 是在哪一年提出了利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构想？请介绍一下他的简单情况。 1958年，布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）提出利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构思。布隆姆贝根是非线性光学理论的奠基人。 他提出了一个能够描述液体、半导体和金属等物质的许多非线性光学现象的一般理论框架。他和他的学派在以下三个方面为非线性光学奠定了理论基础：一、物质对光波场的非线性响应及其描述方法；二、光波之间以及光波与物质激发之间相互作用的理论；三、光通过界面时的非线性反射和折射的理论。他把各种非线性光学效应应用于原子、分子和固体的光谱学研究，从而形成了激光光谱学的一个新领域——非线性光学光谱学。 1981年诺贝尔物理学奖----激光光谱学与电子能谱学布隆姆贝根肖洛凯.西格班 1981年诺贝尔物理学奖的一半授予马萨诸塞州坎伯利基哈福大学的布隆姆贝根（Nicolaas Bloembergen,1920-- ）和美国加利福尼亚州斯坦福大学的肖洛（Arthur L.Schawlow,1921-- ）,以表彰他们在发展激光光谱学所作的贡献；另一半授予瑞典乌普沙拉（Uppsala）大学的凯.西格班（Kai M.Siegbahn,1918-- ）,以表彰他在高分辨率电子能谱学所作的贡献。 布隆姆贝根的主要工作是在激光光谱学、非线性光学、核磁共振以及电子顺磁共振等领域。他的科学成就式多方面的。特别是，他对激光光谱学的发展是从一条独特的道路上做出的。 2. 简单介绍神光I、神光II、神光III？ 神光Ⅱ高功率激光装置是由中国科学院、中国工程物理研究院、国家高技术863和国家高技术863主题四方共同投资，由高功率激光物理国家实验室负责研制的、迄今国内规模最大的高功率激光聚变实验装置，也是世界上为数不多的激光聚变实验装置之一。 神光Ⅱ装置由激光器、激光自动准直、激光精密靶场、激光参数测量、储能供电、精密装校及环境保障等分系统组成。它是数百台套激光单元和组件的集成，并在空间立体排布成8条激光放大链，每条激光放大链终端输出口径为φ240mm，8束激光输出能量总和6kj/1ns，最高输出功率1013W。就瞬时功率而言，比全国发电量的总和还要大许多倍。 神光Ⅱ装置是我国目前惯性约束聚变、X光激光、材料高压状态方程等前沿领域进行物理实验的最大激光驱动装置。该装置上进行的物理实验已在近期取得阶段性的重大成果，具有重大的社会效益和经济效益。 “神光二号”的问世标志中国高功率激光科研和激光核聚变研究已进入世界先进行列。目前，只有美国、日本等少数国家能建造如此精密的巨型激光器。“神光二号”的总体技术性能已进入世界前五位。 2003年1月“‘神光二号’巨型激光器研制成功”被568名中国科学院院士和中国工程院院士投票评选为“2002年中国十大科技进展”。 3. 简单介绍梅曼发明的世界第一台红宝石固态激光器 1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。梅曼于1955年在斯坦福大学获博士学位，研究的正是微波波谱学。在休斯实验室梅曼做微波激射器的研究工作，并发展了红宝石微波激射器，不过需要液氮冷却，后来改用干冰冷却。梅曼能在红宝石激光器首先作出突破，并非偶然，因为他已有用红宝石进行微波激射器的经验多年，他预感到红宝石作为激光器的可能性，这种材料具有相当多的优点，例如能级结构比较简单，机械强度比较高，体积小巧，无需低温冷却等等。但是，当时他从文献上知道，红宝石的量子效率很低，如果真是这样，那就没有用场了。梅曼寻找其他材料，但都不理想，于是他想根据红宝石的特性，寻找类似的材料来代替它。为此他测量了红宝石的荧光效率，没有想到，荧光效率竟是75%，接近于1。梅曼喜出望外，决定用红宝石做激光元件。经过9个月的奋斗，做出了第一台激光器。
浅谈惯性约束核聚变_张杰
零,也即将磁场零点定在ν=1/2处,那么所有的FQHE 态看起来和IQHE 态一样.例如,ν=1/2和ν=1/3之间的磁场间隔ΔB 正好与ν=1所需的磁场一样,也就是说,经平移以后ν=1/3态就成了ν=1态.同样ν=2/5态成为ν=2态,ν=3/7态成为ν=3态.这就是说,原来电子的FQHE 态变成了组合费米子的IQHE 态.组合费米子模型在FQH E 和IQH E 之间建立了十分直接的联系. 6 组合费米子的有效质量 众所周知,由IQHE 的能隙 ωc = e B /m ＊c 可以直接计算出电子的有效质量m ＊.那么从图11上的直线斜率也可以直接算出组合费米子的有效质量m ＊ c F1≈0.6me .它远大于电子在 导带中的有效质量.但是事情并不那样十全十美.按说将图11中能隙外推到ν=1/2处应当为零,然而现在得到的却是一个负截距.实际上在IQH E 效应中也遇到类似的情况.在实际样品中,受杂质、缺陷或者结构尺寸涨落的影响, 朗道能级的展宽使整数填充因子处的朗道能隙间距减小,同样在B =0处出现一个负截距.根据上述类比,图11中在ν=1/2处负截距大小实际给出了组合费米子所受到的散射大小.至此,可以讲组合费米子是分数量子霍尔效应中的新粒子.Stormer 认为,组合费米子的真实性一点不比超导中的库珀对差. 7 结束语 鉴于量子霍尔效应涉及深奥的物理内涵,本文只是力图从物理图像的角度粗浅地介绍它的基本性质.特别是目前对FQH E 态的研究仍在不断深入,本文所涉及的内容十分基础,不可能反映这方面研究工作的广度和深度.作者只希望借1998年诺贝尔物理学奖颁布之际,能使本刊读者对量子霍尔效应有一概括的了解.另一方面,由于本文是属知识介绍性的文章,因时间关系没有一一列出每项工作的有关文献,其目的只是想减小工作量.如有不妥之处,请予以谅解. ＊ 国家高技术惯性约束核聚变委员会资助项目 1998-11-19收到初稿,1998-12-10修回 浅谈惯性约束核聚变＊ 张 杰 (中国科学院物理研究所,北京 100080) 摘 要 以煤、石油、天然气为代表的化石能源终将枯竭,基于核裂变反应的核裂变能源也由于安全性和核废料的处理等问题而不尽如人意.人类期待着新的能源.受控热核聚变反应能释放巨大的能量,而且由于这种能源干净、安全,且以用之不竭的海水作为原料,因此,受控热核聚变能是人类下一世纪的能源的主要希望所在.在地球上,主要有两种方法实现受控热核聚变反应:磁约束核聚变和惯性约束核聚变.文章通俗地介绍了惯性约束核聚变的基本原理和惯性约束核聚变研究的最新进展. 关键词 惯性约束核聚变 · 142·物理