惯性约束聚变(ICF)

第二组为了能够利用核聚变的巨大能量，现代对于核聚变的研究大都集中在可控核聚变，而这其中利用惯性约束核聚变（ICF）就是一种重要的方向。下面让我们简单了解惯性约束核聚变的的基本情况。基本原理•ICF的基本思想是利用激光、X-射线或者高能粒子束作为能量驱动源，脉冲式地提供高能量，均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳表面，进而形成高温高压等离子体。利用反冲击力，使靶外壳极快向心运动，压缩燃料，使其产生高温高密度热斑。由于脉冲时间极短，热核燃料因惯性而来不及飞散，从而充分发生聚变。•从这里我们看到，该技术的核心就是怎样获得均匀的高能的射线作为点火装置。美国国家点火装置（NIF）•这部激光器于2009年启用，它可以将192束激光的能量转换为X射线，聚焦到一个胡椒粒大小的燃料球上，在十亿分之三秒内，以近5*1014W的功率，输出约180万焦耳的能量，产生一亿开的高温和1016Pa的高压。这张图是X射线从辐射空腔两端射向靶球的模拟图NIF有世界上最大的光学仪器。这是KDP晶体（磷酸二氢钾），重360kg。整个装置需要约600个这样的晶体。•这是粗切成块的激光放大器玻璃薄片，整个装置需要3072块这样的钕磷酸盐玻璃。NIF的主要任务•模拟核爆炸，研究核武器的性能情况，使得美国在不进行核试验的情况下保持核武器的先进性。•进行高能物理实验，模拟超新星、恒星和巨大行星内核的环境，探索宇宙的奥秘。•发展可控核聚变。2012年3月的一次实验中，NIF以4.11*1014W的功率输出203万焦耳的能量，这相当于全美国所有电站发电功率的500倍，这怎么可能？就算其他美国人当时都不用电也远远不够啊？•2.03*106J其实并不多，1度电（1kW·h）是3.6*106J，这次实验用电量连五毛钱都还不到。•功率是经过放大的，不可能直接由国家电网输出。就算功率是经过放大的，初始功率也至少几千千瓦（寝室连一千瓦的吹风机都不让我们用），这怎么办？这是NIF的电容、高压电线和7680个闪光灯太阳内核温度也只有1500万开，为什么实验室要将燃料加热到1亿开呢？•太阳内核压强高达2.3*1016Pa，使得原子核之间靠得很近而发生核聚变，实验室无法达到这样的高压，只能通过提高温度来弥补。为什么激光的照射时间要极短？•实际操作中无法达到完全均匀照射，必须控制这部分能量在极短的时间内输出，使粒子来不及飞散就已经开始核聚变。•节约能量。核聚变开始后就不需要外界提供能量了，这时候没必要再用激光照射。•NIF目前还没有真正实现“点火”，只能释放燃料的部分能量。理论上产出与投入的能量比为15:1，但是实际上只能做到稍大于1:1。神光计划—惯性驱动核聚变激光约束装置工程期限1980-2030下图为神光高能激光系统的球形真空靶室和光学设备图为2008年11月16日晚，中央电视台新闻联播曝光的中国工程物理研究院的惯性约束核聚变激光驱动装置原型我国从上世纪60年代即开始惯性约束聚变的研究，在王淦[gàn]昌、王大珩[héng]的指导下，中国科学院和中国工程物理研究院从80年代开始联合攻关，上海光机和长春光机都是协作单位。六十年代初，我国激光聚变研究刚刚起步的时候，钱学森院士就形像地指出：你们的事业是在地球上人造一个小太阳！发展历程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。神光I建成为进行世界前沿领域的激光物理试验提供了有利的手段，对尖端科研和国民经济建设均具有重要意义。1986年夏天，张爱萍将军为激光12号实验装置亲笔题词“神光”。于是，该装置正式命名为神光-Ⅰ。1989年起，神光I直接驱动获5000000中子产额，间接驱动获10000中子产额，冲击波压强达0.8TPa，获近衍射极限类氖锗X光激光增益饱和。1990年，神光I获得国家科技进步奖一等奖。1994年，神光-Ⅰ退役。神光-Ⅰ连续运行8年，在激光惯性约束核聚变和X射线激光等前沿领域取得了一批国际一流水平的物理成果。1993年，国家“863”计划确立了惯性约束聚变主题，进一步推动了国家惯性约束聚变研究和高功率激光技术的发展。1994年5月18日，神光Ⅱ装置立项，工程正式启动，规模比神光-Ⅰ装置扩大4倍。“神光Ⅱ”的数百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内。神光Ⅱ能同步发射8束激光，在约150米的光程内逐级放大：每束激光的口径能从5毫米扩为近240毫米，输出能量从几十个微焦耳增至750焦耳/束。当8束强激光通过空间立体排布的放大链聚集到一个小小的燃料靶球时，在十亿分之一秒的超短瞬间内可发射出相当于全球电网电力总和数倍的强大功率，从而释放出极端压力和高温，辐照充满热核燃料气体的玻璃球壳，急速压缩燃料气体，使它瞬间达到极高的密度和温度，从而引发热核聚变。神光Ⅱ已实现“全光路自动准值定位”，实验中能及时纠正因震动和温度变化而带来的仪器微偏，使输出激光经聚焦后可精确穿过一个约0.3毫米的小孔，仅比一根头发丝略粗一点。神光Ⅱ1995年，激光惯性约束核聚变在“863计划”中立项，我国科研人员开始研制跨世纪的巨型激光驱动器——“神光-Ⅲ”装置，计划建成十万焦耳级的激光装置。2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光装置实验室工程举行了盛大的开工奠基仪式。该工程位于绵阳中国工程物理研究院内，建筑面积28154m2，平面布置：呈长方形布置，建筑物总长178m，总宽75m，建筑结构十分复杂。规划中的“神光-Ⅲ”装置是一个巨型的激光系统，比当前世界最大的NOVA装置还要大一倍多。原计划它具有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，现在该计划可能已经进一步修改，以提高能量规模。惯性约束聚变点火工程（2020年）被已确定为《国家中长期科学和技术发展规划》的十六项重大专项之一。目前，神光-Ⅲ原型装置“十五”建设目标已圆满完成，达到“8束出光，脉冲-万焦耳”的水平，标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。神光-Ⅲ1964年，王淦昌提出了研究激光聚变的倡议。1965年，上海光机所开始用高功率钕玻璃激光产生激光聚变的研究。1973年5月，上海光机所建成两台功率达到万兆瓦级的高功率钕玻璃行波放大激光系统。1974年，上海光机所研制成功毫微秒10万兆瓦级6路高功率钕玻璃激光系统，激光输出功率提高了10倍。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。1987年6月27日，神光I通过了国家级鉴定。1994年，神光I退役，神光I连续运行8年。1994年5月18日，神光Ⅱ装置立项，工程正式启动。2001年8月，神光Ⅱ装置建成，总体性能达到国际同类装置的先进水平。2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光装置实验室工程举行了开工奠基仪式。惯性约束核聚变的优劣因为现在可控核聚变的主流方式就是惯性约束和磁约束，所以这里我们聊惯性约束核聚变的优劣，主要是和磁性约束核聚变的对比之下的结果。首先，惯性约束的设备可以做的相对较小（这是因为磁约束由于要提供足够大足够强的磁场），在未来的飞行器等移动装置可能应用更加广泛。另一方面，惯性约束的开、关火控制的更好，这一点易于理解，这是由于惯性约束是通过激光来控制聚变的启动和关闭的。惯性约束耗能高、成本高。由于要得到高能的激光这需要消耗大量的能量，而磁场的成本会相对较低。此外，靶丸的成本也很难降下来。惯性约束的持续性差。得到持续的高能粒子的难度较得到稳定磁场的难度要大的多，实际应用中可能需要重复点火。从这里，我们可以看到这两种思路进行可控核聚变各有千秋，不能说孰优孰劣，我们只能说在未来不同的领域各有优势。