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这种核聚变实现方式 人类利用核能打开了另一扇大门
作者:网易新闻 发布时间:2019-2-20 浏览次数:27 

  2019年1月16号,中国氢弹之父、两弹元勋于敏院士去世。由于共和国的核事业属于绝密级,故老一辈们的艰苦创业一直隐藏在历史的深处,不被外人知晓。

  随着近年来越来越多的资料被披露,我们慢慢知晓了以于敏院士为代表的两弹元勋们的点滴工作细节,尤其是在2015年,于敏院士在人民大会堂亲手接过了主席颁发的国家最高科技奖,更是让人们产生了好奇,于敏院士到底又做出了什么样的丰功伟绩,以至于在第一颗氢弹成功试爆近50年后,又一次站在了国家的最高领奖台?

  今天我们就来讲讲于院士所研究的核聚变。

  (一)为了开发利用核能,人类想了许多路径

  大家都清楚,原子能的利用主要分两条路径,一个以原子弹为标志的核裂变,另一个就是以氢弹为标志的核聚变。

  平日所见的核电厂,以及核潜艇、核动力航母中的核反应堆等,都是基于核裂变原理。而核聚变的和平利用,目前还处于各国相互角力的竞赛中。

  而在核聚变实现路径中,又分了两条截然不同的道路,一个是以强磁场约束托卡马克聚变装置为代表的磁约束派,另一个则是以激光惯性约束核聚变“点火”装置的惯约束派。

  第一个磁约束托卡马克,代表性的就是中国的EAST工程,我们之前的文章里有介绍(《可控核聚变持续101秒,我们离造出一个太阳还远吗?》)。而第二个惯性约束核聚变,正是于敏院士核事业二次创业的主要内容,我们也借此机会从物理的角度出发,深深缅怀于敏老爷子。


  (中国的EAST工程)

  (二)激光惯性约束聚变,最接近氢弹爆炸的聚变方式

  我们都知道,核聚变就是两个质量较轻的原子核,在极端高温高压高密度的条件下,融合成一个较重的原子核的过程。而在此过程中,会有一点点的质量亏损,根据爱因斯坦的质能方程,这一点点的质量乘以光速的平方,就是其所能释放出来的能量。

  而氢弹的爆炸,需要原子弹的爆炸作为扳机,以此产生瞬间的高温高压高密度条件,进而达到聚变的临界条件,引发更为强烈的核聚变反应。因此,如何设计一种能够达到这种极端环境的装置就成了和平利用聚变能的关键。

  随着激光技术的发展,前苏联科学家巴索夫教授在1963年、中国科学家王淦昌院士在1964年分别独立地提出了利用激光打在聚变燃料靶上来实现受控热核反应的构想,由此开辟了实现受控热核聚变反应的新途径——激光惯性约束聚变。

  不同于采用强磁场约束的托卡马克装置,激光惯性约束聚变装置是利用功率巨大的激光照射到靶上,将燃料向内压缩,靶材料形成的等离子体,由于自身惯性还来不及向四周飞散就被加热到极高温度并发生聚变反应。


  其典型的整个反应过程主要分四个阶段:

  (1)靶丸表面吸收激光束能量,在靶丸表面形成等离子烧蚀蚀层;

  (2)靶丸表面物质向外喷射,同时产生反作用力,使燃料向心压缩;

  (3)通过向心聚爆过程,燃料达到高温高密度状态;

  (4)燃料发生聚变反应,最终向外释放出巨大能量。

  因为靶丸一般都很小,和黄豆大小相等,而大功率多束激光装置则是十足的巨无霸,简直就是一大群高射炮打蚊子,因此,激光核聚变过程的关键就是,如何巧妙设计和布置激光束瞬间照射在靶丸上。

  于是,在激光惯性约束聚变流派下,又分了两个分支:直接驱动和间接驱动。


  (直接驱动惯性约束核聚变示意图)

  直接驱动是将多路激光直接均匀辐照到球型靶上,烧蚀靶表面的燃料产生热等离子体,激光在等离子体中产生激波从而压缩靶丸达到点火。但其有两个基本要求:一是要求激光在电晕区通过碰撞过程有效地被吸收,避免产生过量超热电子;另一个是要求在烧蚀阵面附近的压力分布均匀,对激光光束有高质量要求。


  (间接驱动惯性约束核聚变物理过程示意图)

  间接驱动则将激光照射到黑腔的高Z内壁上产生X射线,激光能量将大部分转化为X射线能量,再作用在靶表面,产生烧蚀、压缩、点火。

  这两种点火方式各有优、缺点,虽然当前的主流点火方式是间接驱动,但由于美国的装置一直没点火成功,所以探索直接驱动的点火方式也是必然中的选择,两者相辅相成,互为补充。


  (环绕聚变燃料舱的空心金质空腔)

  那反应的核心,靶丸又到底是个什么东西呢?

  无论哪种驱动方式,靶丸都是由作为气体容器的空心微球和球内燃料气体组成。


  (铍涂层激光聚变靶)

  上图展示的就是一枚直径2毫米的铍涂层激光聚变靶,为了便于操作被固定在超薄塑料片中。在这个微型容器内注入的液体状氚和氘混合物将被冷冻至-255摄氏度,然后从顶部和底部射入空腔的192束激光所产生的X-射线,将在空腔内产生聚变所需的极端物理环境,使核燃料点火、放能。


  (激光惯性约束聚变发电站示意图)


  (惯性约束多路激光发生器)

  (三)各国低调却热衷的惯性约束核聚变,中国也在一直努力

  相较于国际合作广泛、经常刷屏的磁约束托克马克聚变堆,惯性约束聚变堆则显得相当神秘。这是因为惯性约束除了和平利用原子能解决能源问题外,更重要的意义在于研究核爆过程中的多物理问题。

  这种聚变方式是最接近氢弹爆炸的真实物理过程,这也正是各国低调但又投入大量精力深耕该技术的根本原因。

  最为突出和知名的是美国的点火装置(National Ignition Facility,NIF),位于旧金山劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)。其最早要追溯到1972年,Nuckolls总结了可以利用激光束内爆来实现聚变的相关研究,如果在靶丸上达到了足够的压缩,1千焦的驱动能量就可以获得大于1的增益。

  在1993年,美国能源部正式签署并批准了国家点火装置(NIF)的概念设计和研制任务,并将其指标定为3纳秒脉宽时输出1.8MJ,总共192束高功率激光。在2012年,该装置将192束激光束成功融合成一个单一脉冲,峰值功率达到了500万亿瓦,相当于美国在任何特定时刻内全国耗电量的1000多倍,成为人类历史上发射的能量最大的激光脉冲。

  虽然发展了多种多样的点火方式,并尝试了多轮试验,但是到目前为止,NIF 的实验结果距离真正意义上的点火还有一段很长的距离要走。


  (美国惯性约束点火装置)

  那我们国家的情况呢?

  别慌,我们有于敏。

  在肩负核武器研制重担的同时,于敏院士也在一直思考全面核禁试后如何确保中国库存核武器的安全、可靠和有效性。

  在他的多年推动下,中国惯性约束聚变研究被列入国家863计划,制定了惯性约束聚变的发展战略。继神光-I 激光装置之后,在上海建造了神光-II 八路固体钕玻璃激光装置,并同时开展规模更大的神光-III 激光装置的预研。

  自此,中国惯性约束聚变研究进入了一个崭新的历史发展阶段。


  (上海神光II升级装置和皮秒PW系统)

  2006年,神光II升级系统建成并投入运行,8路激光输出总能量为40KJ/3ω/3ns,目前该系统已经成为世界上继美国NIF之后的最稳定的惯性约束激光驱动系统。而与此同时,2005 年,四川绵阳于敏所在的单位,也建成了神光III 8 路系统,其初期可提供15-20KJ 的3ω 输出。2010 年,神光III 主机64 路激光也按计划完成,可提供150-200KJ 的3ω 输出。

  作为世界各大国相互角力的主战场,近年来中国的惯性约束核聚变事业迎来了新的一波高潮,新一代国家点火装置---神光IV开始筹划。

  其主体工程在2010年就开始启动,目前已经进入实质性的建造阶段,计划在2020 年或稍后建成。

  其中,该系统将包含高达288 路的高功率激光束,其总输出功率为2MJ,设计功能以间接驱动为主,但同时也兼顾直接驱动。

  一旦该装置建成,将进一步提升中国核聚变事业的力量。

 
 
 

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