慣性約束聚變能源與激光驅(qū)動器

第18卷第67期大自然探索Vol.18,SumNo.671999年第1期EXPLORATIONOFNATURENo.1,1999慣性約束聚變能源與激光驅(qū)動器S中國工程院院士中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員國家高技術(shù)863—416主題專家組成員范滇元中國科學(xué)院院士北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所研究員國家高技術(shù)863—416主題專家組首席科學(xué)家賀賢土聚變能源是一種“干凈的”幾乎取之不盡的能源。研究進(jìn)展表明，有希望在21世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)電。慣性約束聚變則是實(shí)現(xiàn)聚變能源的主要途徑之一。80年代末，美國用地下核爆的輻射能量成功地驅(qū)動慣性約束聚變，證實(shí)了這一技術(shù)路線在科學(xué)上的可行性。90年代以來,一些國家制定了龐大的發(fā)展計(jì)劃，以“點(diǎn)火”為目標(biāo),建造百萬焦耳級的巨型激光裝置。同時，并行地開始了用于聚變能電站的驅(qū)動器研究。我國已有30多年研究基礎(chǔ)，現(xiàn)已制定跨世紀(jì)的“神光-”計(jì)劃，將在下世紀(jì)初建成10萬J級的激光裝置，開展相關(guān)基礎(chǔ)物理研究。1聚變能源是地球上的人造小太陽能源是人類賴以生存的基本條件。據(jù)估計(jì)，到下世紀(jì)中葉前后，全世界能源消費(fèi)的需求將超過傳統(tǒng)能源的供給能力，必須開發(fā)新的能源以彌補(bǔ)其短缺。聚變能源是新能源的重要候選者之一。氫的同位素氘和氚在高溫下聚合成氦核并釋放出中子的過程稱為“聚變”。太陽的巨大能源即來源于聚變,而氫彈的爆炸則是地球上人為的聚變反應(yīng)。氘和鋰（可產(chǎn)生氚在海中蘊(yùn)藏量極其豐富,120kg海水可產(chǎn)生相當(dāng)30L石油放出能量的聚變能，聚變材料可謂“取之不盡”。如果能在人工可控條件下實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，則可以提供幾乎用之不竭的能源。和傳統(tǒng)能源相比,聚變?nèi)剂暇哂凶罡叩谋饶?。然而聚變反?yīng)所要求的條件卻極為苛刻。自持反應(yīng)要有1億kWh左右的高溫,并且參與反應(yīng)的粒子密度n要足夠高,能維持一定的反應(yīng)時間乙即nL值要達(dá)到1014scm3以上，這就是著名的勞遜判據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)上述條件,目前有兩條技術(shù)途徑:磁約束聚變（MCF和慣性約束聚變（ICF。慣性約束聚變的基本思想是:利用激光或離子束作為驅(qū)動源，脈沖式地提供高強(qiáng)度能量，均勻地作用于裝填氘氚燃料的微型球狀靶丸外殼表面形成高溫高壓等離子體，利?13?耳謹(jǐn)以此文緬懷慣性約束聚變研究先驅(qū)王淦昌院士用反沖壓力，使靶的外殼極快向心運(yùn)動，壓縮氘氚主燃料層到每立方厘米幾百克質(zhì)量的極高密度，并使局部氘氚區(qū)域形成高溫高密度熱斑，達(dá)到點(diǎn)火條件;驅(qū)動脈沖寬度為納秒級，在高溫高密度熱核燃料來不及飛散之前，進(jìn)行充分熱核燃燒，放出大量聚變能，所以又稱慣性約束聚變（ICF。實(shí)際上這和太陽的聚變過程相仿，只是約束高溫等離子體的方式有所不同。60年代初，我國激光聚變研究剛剛起步的時候，錢學(xué)森院士就形象地指出:你們的事業(yè)是在地球上人造一個小太陽!2慣性約束聚變的科學(xué)可行性研究走向聚變能源要?dú)v經(jīng)三個里程碑階段：（1靶物理研究:掌握ICF各個環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室演示點(diǎn)火（ignition和高增益。點(diǎn)火，即聚變釋放能量的速率足以超過由于各種因素使氘氚等離子體冷卻的速率，導(dǎo)致熱核燃燒自持進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)室演示ICF科學(xué)上可行性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步達(dá)到高增益。（2聚變發(fā)電演示:建成聚變能演示反應(yīng)堆及發(fā)電廠，演示工程上可行性。（3商用:商用發(fā)電達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益可以和其他能源相競爭，即經(jīng)濟(jì)上可行性。慣性約束聚變研究始于60年代激光出現(xiàn)后不久，至今已有30年,取得了顯著成效。地下核試驗(yàn)證實(shí)了原理可行性，探索出了可行的科學(xué)技術(shù)途徑，經(jīng)過努力在實(shí)驗(yàn)室條件下的聚變“點(diǎn)火”已指日可待。211慣性約束聚變的物理過程和驅(qū)動方式（1加熱:激光（或離子束、X光輻射照射靶丸表面形成高溫高壓等離子體。（2壓縮:靶丸表面高溫高壓等離子體向外噴射，形成的反沖壓力將靶丸向心內(nèi)爆壓縮氘氚到極高密度（約20倍以上通常鉛的密度。高密度氘氚區(qū)形成熱核燃燒波迅速擴(kuò)展到整個主燃料層，釋放能量大于激光能量很多倍（高增益的聚變能。有兩種方式驅(qū)動上述聚變反應(yīng)。第一種為直接驅(qū)動:激光束直接照射氘氚靶丸表面。這種方式有較高的效率,但是為了達(dá)到高倍的壓縮，要求驅(qū)動光束在4n立體角方向極為均勻地照射靶面，均方差小于1%?2%，這是極其困難的。第二種為間接驅(qū)動:為了避開這一難點(diǎn)，提出了另一種稱之為“間接驅(qū)動”的照射方式。此時激光束照射到包圍靶丸的柱形空腔外殼內(nèi)壁，產(chǎn)生X光輻射,X光經(jīng)輸運(yùn)熱化后再加熱氘氚靶丸表面。也可用離子束作驅(qū)動源，離子束先轟擊圍繞靶丸的物質(zhì),轉(zhuǎn)換為X射線，然后由X光加熱靶，從而實(shí)現(xiàn)間接驅(qū)動的聚變反應(yīng)。不論哪種驅(qū)動方式，對驅(qū)動器的能量和質(zhì)量要求均很苛刻。近年來，提出了一種新的點(diǎn)火手段，不同于上面討論的中心點(diǎn)火模型,它是內(nèi)爆壓縮和點(diǎn)火分開進(jìn)行的。先是用激光壓縮氘氚到極高密度,然后外加一束超短脈沖超高強(qiáng)度激光在等離子體中傳播，產(chǎn)生大量超熱電子（1MeV以上，在極高密度氘氚邊緣內(nèi)部形成熱斑點(diǎn)火，并擴(kuò)展到整個體積。理論研究表明，把原先的中心點(diǎn)火改為快點(diǎn)火，可以大幅度降低對驅(qū)動能量的要求,從而大幅度降低驅(qū)動器造價，因此這種方法已成為國際研究的熱點(diǎn)。212慣性約束聚變研究進(jìn)展慣性約束聚變研究已在世界范圍內(nèi)取得重要進(jìn)展。美國里弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室最為先進(jìn)，從1975年至今，建造了6代激光驅(qū)動器，輸出功率提高了近5個量級，取得了一系列重要靶物理成果。究竟需要多少驅(qū)動能量才能達(dá)到點(diǎn)火和能量增益呢?80年代末，美國實(shí)施“百人隊(duì)長”計(jì)劃，利用地下核爆輻射的小部分X光作為驅(qū)動源，照射氘氚靶丸表面，成功地實(shí)現(xiàn)了具有近百倍能量增益的聚變反應(yīng)，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果和LASNEX程序計(jì)算相符，從而證實(shí)了慣性約束聚變的科學(xué)可行性，也明確了?23-大自然探索1999年第1期（總第67期需要有百萬焦耳級的驅(qū)動能量才能滿足要求。這一結(jié)果公布后，極大地推動了國際ICF研究。然而在實(shí)驗(yàn)室研究中必須掌握激光與等離子體相互作用規(guī)律，包括激光直接或間接驅(qū)動轉(zhuǎn)換成靶丸內(nèi)爆能量效率及由此帶來很多物理和技術(shù)問題。所以，雖然地下核試驗(yàn)表明了高增益ICF的可能,但仍然需要在實(shí)驗(yàn)室條件下演示ICF科學(xué)上可行性。1989年有關(guān)國家科學(xué)家聚會西班牙，發(fā)表了著名的“馬德里宣言”，號召全世界科學(xué)家合作，向?qū)嶒?yàn)室演示點(diǎn)火目標(biāo)前進(jìn)。1994年國際原子能署（IAEA召開的慣性約束聚變驅(qū)動器國際會議上,美國能源部官員M.Sluyter在綜述報告中，形象地展示了美國的目標(biāo)及各階段計(jì)劃的銜接關(guān)系。美國“國家點(diǎn)火裝置”(NIF的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火并達(dá)到中等(5?10倍能量增益。NIF的主要技術(shù)指標(biāo)：輸出能量：18MJ,500TW(3S;功率平衡：＜8%rms(2ns范圍內(nèi)；靶瞄準(zhǔn)精度：＜50Am;插頭效率：1%(電能到3S光能高能發(fā)射次數(shù)(a:產(chǎn)額為1?100kJ100次產(chǎn)額為100?500kJ35次產(chǎn)額為5?10MJ10次激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：激光束由192子束組成，每束口徑40cmx40cm,輸出10kJ;192束分成24大路，每大路由4x2列陣組成；激光裝置大廳面積200mx85m;靶場寬30m、高30m;激光束從上下方向射入真空靶室，光學(xué)元件離開球壁4m。然而，包括NIF在內(nèi)的所有裝置都只能做到聚變能源的科學(xué)可行性驗(yàn)證，并不能成為聚變能電站。關(guān)鍵在于,驅(qū)動器只能單次發(fā)射(幾小時一次，而且驅(qū)動器本身的能量轉(zhuǎn)換效率不高，約為1%左右。3慣性約束聚變的工程可行性研究為實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變商用能源的里程碑目標(biāo),需要滿足下列4個條件：(1高增益靶輸出的聚變能量比輸入的驅(qū)動能量大50?100倍；(2驅(qū)動器能以5?10Hz的重復(fù)率工作，插頭效率達(dá)10%?30%;(3靶的成本降低到25美分左右，且年生產(chǎn)率達(dá)到1億個；(4裝置具有長達(dá)30年的使用壽命。為此開展了高效率,高重復(fù)率運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動器研制和聚變能電站的總體概念設(shè)計(jì)。用于聚變能電站的候選驅(qū)動器主要有:半導(dǎo)體激光泵浦的新型固體激光器，氟化氪氣體激光器，重離子和輕離子加速器。下面我們以上列第一種類型的方案設(shè)計(jì)為例,說明有關(guān)的研究進(jìn)展。第一種激光器與現(xiàn)有裝置不同之處在于:用半導(dǎo)體激光管代替氙燈，用作固體激光器的泵浦源;選取與之匹配的激光工作介質(zhì)：Yb:S-FAP晶體。以此為基礎(chǔ)，里弗莫爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家完成了全半導(dǎo)體激光泵浦固體驅(qū)動器(DPSSL的聚變能電站設(shè)計(jì)。他們在技術(shù)上詳細(xì)地分析和計(jì)算了DPSSL聚變電站的方案和造價，編制了進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算機(jī)程序，得到的結(jié)果是：發(fā)電功率100萬kW;電費(fèi)成本每kWh電費(fèi)816美分電站總造價416B(46億美元激光系統(tǒng)的3耳總能量4MJ插頭效率（從消耗電能到3耳激光能r=8.6%；靶增益：G=76，即rG?7?33?慣性約束聚變能源與激光驅(qū)動器4我國ICF激光驅(qū)動器研究概況和展望1964年，我國著名核物理學(xué)家王淦昌院士獨(dú)立地提出激光聚變早期思想，并提出了具體方案。按照這一創(chuàng)議，在我國第一個激光專業(yè)研究所一一中國科學(xué)院上海光機(jī)所開始了高功率激光驅(qū)動器的研制和應(yīng)用并于1971年獲得氘2氘碰撞中子。1978年中國工程物理研究院和中國科學(xué)院攜手合作,ICF研究進(jìn)入了全面發(fā)展的新階段。近20年來，致力于研制和應(yīng)用釹玻璃激光驅(qū)動器——“神光”系列裝置，取得了顯著進(jìn)展，推動了我國ICF實(shí)驗(yàn)和理論研究，并在國際上占據(jù)了一席之地。411“神光2”裝置“神光2”裝置建成于1986年。該裝置輸出兩束口徑為200mm的強(qiáng)光束,每束激光的峰功率達(dá)1012W，脈沖寬度有1ns和100ps兩種,波長為11053Am的紅外光，可倍頻到0153Am綠光。該裝置建成后連續(xù)運(yùn)行8年，在前沿物理實(shí)驗(yàn)研究中取得一批國際先進(jìn)水平的成果，主要有:①我國首次間接驅(qū)動內(nèi)爆出中子實(shí)驗(yàn)成功;②極高壓下材料狀態(tài)方程的高精度測量;③類氖錯X光激光達(dá)增益飽和并具有近衍射極限的光束質(zhì)量;④復(fù)合泵浦X光激光研究獲得一系列國際首次報道的新譜線。412“神光2”裝置和號裝置相比，號裝置規(guī)模擴(kuò)大4倍,可輸出8束強(qiáng)光，立體地照射氘氚靶丸。紅外波長的激光能量達(dá)6kJ1ns，并可變換到0135A的紫外激光。脈沖寬度有1ns、100ps、20ps和1ps4個檔次。目前，該裝置已進(jìn)入總裝調(diào)試階段，計(jì)劃1998年投入試運(yùn)行，它將是我國“十五”期間ICF研究的主要驅(qū)動器。413“神光2”裝置為了開展更深層次的ICF物理研究（包括點(diǎn)火預(yù)研究以滿足21世紀(jì)發(fā)展需求，制定了研制“神光2”裝置的規(guī)劃，并已完成概念設(shè)計(jì)和可行性論證。規(guī)劃中的“神光2”裝置是一個巨型的激光系統(tǒng)，比當(dāng)前世界最大的NOVA裝置還要大1倍多。它具有60束強(qiáng)光束，紫外激光能量達(dá)60kJ，質(zhì)量和精密性要達(dá)到21世紀(jì)的國際先進(jìn)水平。我國激光驅(qū)動器研究的現(xiàn)狀和發(fā)展前景:①現(xiàn)在到下世紀(jì)初,“神光”裝置運(yùn)行并精密化——8束,214kJ3S;②2000年前后，研制“神光2”裝置的雙路原型一2kJ3耳;③2005年前后，建立“神光2”裝置——60束、60kJ3S;④2010年前后，研制“神光一”裝置——點(diǎn)火裝置。神光2裝置是世紀(jì)之交我國有史以來光學(xué)領(lǐng)域最宏偉的科學(xué)工程，必將全面帶動相關(guān)科學(xué)技術(shù)攀登世界水平，是我國綜合國力在科技領(lǐng)域的標(biāo)志性體現(xiàn)，其作用和意義不亞于當(dāng)年的“兩彈”。這既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，在走向聚變能源的道路上需要幾代人的不懈努力。“神光2”裝置是多種學(xué)科、多種技術(shù)的綜合集成,涉及到10個技術(shù)門類和相關(guān)內(nèi)容,如:①激光器件和單元技術(shù):激光振蕩器，脈沖整形器，電光和磁光隔離器，空間濾波器，組合式多程放大器，頻率變換器。②激光和光學(xué)技術(shù):超短脈沖激光技術(shù)，光纖和集成光學(xué)技術(shù),半導(dǎo)體二極管泵浦技術(shù)，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù),二元光學(xué)技術(shù)等。③光學(xué)元件:高光學(xué)質(zhì)量（n~10-6量級、高破壞負(fù)載（15?18Jcm2、大尺度（350mmx350mm或更大的釹玻璃、光學(xué)玻璃、石英玻璃、非線性晶體等材料,及若干特種功能材料。④光學(xué)薄膜:與光學(xué)材料匹配的大口徑、高負(fù)載、多波長和多種功能的光學(xué)薄膜，如增透膜、高反膜、分光膜和偏振膜等，除采用真空鍍膜工藝外,還將大力發(fā)展和應(yīng)用Solgel鍍膜技術(shù)。⑤精密光學(xué)冷加工和檢測:大口徑、110波長平度、015mm表面粗糙度的光學(xué)冷加工和相應(yīng)的檢測手段，以及對大口徑晶體材料（如KDP?43-大自然探索1999年第1期（總第67期的金剛石車床切削加工，建立和完善相應(yīng)的檢測手段，如移相式干涉儀、哈特曼波面測量儀、計(jì)算全息波面實(shí)時測量儀、粗糙度測量儀等。⑥高精度診斷和測量（超快時間、大口徑空間、寬光譜、高能量:具有微米級空間分辨率的焦斑測量、具有皮秒級時間分辨率的脈沖測量、2%精度的紫外光能量測量、時間分辨的光譜測量、動態(tài)范圍達(dá)4個量級以上的光強(qiáng)分布測量等。⑦電工技術(shù):激光器的電源是一個龐大的電工系統(tǒng),工作方式是單次儲能和脈沖放電，儲能能量（電能約30MJ;以閃光燈（氙燈為負(fù)載放電，脈沖寬度一般為015?2ms;并行的放電路數(shù)約為2000路;多路放電的時間同步精度要求5?10As;一般用電容器作為儲能元件，充電電壓重復(fù)精度要求0105%?0101%，充電電壓25kV，每路放電的峰值電流約10kA。為此，要有效地防止強(qiáng)電干擾，研制高比能電容器（1kJdm3，是提高性能、降低成本的重要途徑。⑧精密機(jī)械和真空系統(tǒng):在驅(qū)動器系統(tǒng)中,每個激光束要經(jīng)過數(shù)百米的長光路和數(shù)百個元件，最后60個花束以極高精度聚焦到微型聚變靶丸上，瞄準(zhǔn)精度為115〃左右。因此對整個系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)都有嚴(yán)格的要求，尤其是對靶場系統(tǒng)的要求。初步估計(jì),在靶場中約需250臺口徑為500mm的伺服反射鏡，而且要以不同的角度分布安放在20m高的桁架上，反射鏡和桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和調(diào)整精度都要滿足秒級要求，難度是很大的。此外,ICF靶室還是一個大型的真空系統(tǒng)，最大容積約60m3