惯性约束聚变激光驱动器

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1、惯性约束聚变激光驱动器侯擎昊3080100974背景人类的能源从根本上说来自核聚变反应，即发生在太阳上的“轻核聚变”。人类已经在地球上实现了不可控的热核反应，即氢弹爆炸。要获得取之不尽的新能源，必须使这一反应在可控条件下持续地进行。为实现可控核聚变有两种方法，一是科学家们用托卡马克装置开展“磁约束聚变”的研究。另一条技术路线于20世纪60年代初提出的“激光惯性约束核聚变”。原理惯性约束核聚变(InertialConfinedFusion,ICF）的基本原理是：使用强大的脉冲激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸上，在瞬间产生极高的高温和

2、极大的压力，被高度压缩的稠密等离子体在扩散之前，向外喷射而产生向内聚心的反冲力，将靶丸物质压缩至高密度和热核燃烧所需的高温，并维持一定的约束时间，完成全部核聚变反应，释放出大量的聚变能。然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。首先要有1亿度左右的高温；其次，参与反应的粒子密度要足够高并能维持一定的反应时间，即‘nτ’值要达到1百万亿（秒/厘米3）以上，这就是著名的劳逊判据。一些国家的实验室已经在这类激光装置上作了大量的基础研究工作。美国、法国等已着手建造更大规模的巨型激光器，期望能够实现激光热核“点火”。图1激光核聚变装置中，激光照

3、射靶物球芯时，辐射空腔两端的光线情况图2惯性约束聚变原理图3左图是一个镀金的NIF黑腔，右图是一个直径4mm的试验胶囊，试验时这个内部充满氘和氚的气体的胶囊将被塞入镀金黑腔，接受强激光的辐照，一旦NIF点火成功，发生核聚变，就会形成强大的能量。激光将用来压缩上图这样的一个豌豆大小的氘-氚粒状物，粒状物被封入一个称为“Hohlraum”的镀金圆筒。然后将这个Hohlraum被安装在直径为3.2英尺的称为黑体辐射空腔的靶室中央，192条激光束聚焦在Hohlraum上，并生成极强的X射线，在高温和辐射的作用下，粒状物将转化为等离子体，

4、且压力不断升高，直至发生聚变。核聚变反应寿命很短，大约只有百万分之一秒，但它释放的能量是引发核聚变所需能量的50到100倍。在这种类型的反应堆中，需要相继点燃多个目标，才能产生持续的热量。据科学家估计，每个目标的成本可控制在0.25美元左右，从而大大降低了核电厂的成本。激光驱动器高功率、短脉冲激光器是最先用于聚变并有最大成就的一类驱动器。在时间与空间上的高度集中能力与可调节的性能，以及传输上的方便都是激光所特有的优点。最重要的激光系统是钕玻璃（波长1.05μm），CO2（波长10.6μm）,原子碘（波长1.315μm）与KrF（

5、波长0.248μm）等。迄今，绝大部分聚变实验是利用钕玻璃激光(1.05μm与其谐波0.53μm，0.35μm和0.26μm)与CO2激光完成的。这两种激光都已有大于104J和大于1013W的输出能力的装置。钕玻璃激光虽效率低（<1％）、成本高且重复率低，不能作为未来聚变堆的驱动器。然而，研究表明：较短的激光波长(<1μm)能有较好的束-靶耦合、更低的超热电子预加热和更高的软X射线转换效率;且钕玻璃激光的二次与三次谐波的转换率已可超过70％。所以，钕玻璃激光仍然是演示原理性实验与核爆炸模拟研究的最有效的手段。CO2激光虽效率高、

6、成本低,但波长效应仍是根本的问题。大型激光器已采取的先进技术，包括：像传播空间滤波技术，低非线性折射率光学材料（如磷酸盐玻璃），准连续主动锁模振荡器，全电型脉冲选择开关,大孔径片状放大器，大孔径高效率频率转换技术，多光束同步，光路自动调整以及计算机控制运行等。单束钕玻璃激光的可聚焦功率密度已超过1017W/cm2，美国利弗莫尔国家实验室的称为“NOVA”的100kJ、100TW量级的超大型多路钕玻璃倍频激光系统即将建成。图4神光Ⅱ的高功率激光装置进展中国“神光”计划神光-Ⅰ1964年,我国著名核物理学家王淦昌院士独立地提出激光聚

7、变思想,并建议了具体方案.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-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,ICF研究进入了全面发展的新阶段。近廿年来,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,推动了我国惯性约束聚变实验和理论研究,并在国际上占有一席之地。1977年，上海光机所利用1千亿瓦的6束激光系统装置，对充气玻壳靶照射获得了近百倍的体压缩。使我国的激光聚变研究进入了逐级论证向心聚爆原理的重要发展阶段，

8、为以后长期的持续发展奠定了基础。1980年，王淦昌提出建造脉冲功率为1万亿瓦固体激光装置的建议，称为激光12号实验装置(神光I)。激光12号实验装置是建立在中国科学院上海光机所的一台大型高功率激光实验装置，位于上海市嘉定区清河路390号光机所内，1983年由上海