谈世界最大激光器艰难的研制

发布时间:2012-10-9 22:30    发布者:1770309616
关键词: 激光 , 激光器 , 最大激光器
  2010年10月6日,美国国家核军工管理局和劳伦斯利弗莫尔实验室宣布其建造的国家点火装置完成了其首次综合点火实验。在试验中,192束激光系统向首个低温靶室发射了1MJ激光能量。
  美国国家点火装置(NIF)(即激光聚变装置)是与中国“神光”计划类似的工程,由位于美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室研制。
  该计划自1994年开工以来延期了很多次,它最终的目标是2010年实现聚变反应,并达到平衡点,即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量。
  该计划建造和运行花费超过35亿美元,容纳NIF装置的建筑物长215米,宽120米,相当于三个足球场。
  美国国家点火计划(NIC)是在2009年开始进行的。当时正值耗时35亿美元的国家点火装置建成投入使用后不久。国家点火装置的建设工期超出预定达7年,预算也超支20亿美元。这一装备有192束激光的设备可以产生1.8兆焦耳的热量,用于尝试核聚变点火实验,其先期研制的主要支持力量来自军方的核武器项目。9月份时国家点火装置获得了迄今最高的激光能量和中子产量,数值分别为1.6兆焦耳和6×1014 。在此之前的最高激光能量纪录是今年6月份创造的1.3兆焦耳。根据柯宁的说法,此次1.6兆焦耳的能量达到了点燃核聚变“燃料”所需热量的1/3,而中子量大约还差一个数量级。
  2011年11月18日,就在美国能源部负责科学研究的副部长史蒂夫柯宁宣布辞职的当天,他的备忘录被公开,在备忘录中他记录了18日当天的最后一篇日志。他表示在从10月28日开始进行的35次实验中,任务进行的还是比较顺利的,激光器的表现也非常良好。而点火目标也表现不错,性能稳定。不过他也指出实验过程中仍然存在一些问题,其中一部分是可以解决的,但是也有一部分将会很难对付。
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  从模拟走向成功
  国家点火装置的科学家们发现他们对模拟实验结果的预期和实际情况总是存在很大的误差。对靶标表现的模拟显示人们对能量在黑体辐射空腔内的分布状况等方面的认识仍然存在不足。即便在进行针对性调整之后,最好的实验结果仍然仅能获得大约20%的理论预计产出。
  科学家们现在正在不断进行相关的调试工作,这对于在2012年9月份的最后期限之前实现研制目标至关重要。实验室现在已经大大增加了实验的频率。并且将所谓实验点火阈值因子(ITFX)数值提升了5倍。但是这一数值的最高值仍然仅有点火阈值的10%左右。尽管“基本上符合项目计划”,但是这一ITFX数值的规定还是让这一宣称具有“绝佳实验控制性能和激光测试参数”的实验室感到失望。
  实现可控核聚变点火的技术难度极大,即便是在占地超过三座足球场的国家点火装置也是如此。工程师们必须确保激光束分四级,每级均以极其精确的时间间隔逐次增强其强度,并在书纳秒的极短时间内发出,以便激发一个柱状空腔内产生X射线场,进而实现均匀内爆,这将压缩一个包含氘和氚的小球体,这两种氢同位素是核聚变反应的燃料。如果时间上或者激光强度递增梯度上出现哪怕最微小的失误也会导致内爆不均匀,从而造成点火失败。最近进行的实验中工程师们发现最后一级激光脉冲总是会比预期的时间慢一些。
  在最新的实验中工作人员们再黄金中掺入贫铀材料制成靶标空腔,用以替换先前使用的全黄金质地空腔。之前在罗切斯特大学进行的实验显示采用这种混合材料将对改善实验结果产生积极的影响。
  柯宁表示此次实验的成败将不会对核武器的表现产生直接影响。不过他也表示此次点火试验中提供的数据将会使国家点火装置目前本已处于很高水准的核武储备管理水平得到进一步的加强。
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  2012年7月5日,科学家用192束激光向装有氘氚混合物的贫化铀微型靶丸发射了1.8MJ、500TW激光能量——这是至今为止所达到的最高能量及功率。
  实验结果表明,距激光器达到实现点火所需的条件指日可待。NIF的负责人说:“此次点火实验达到了前所未有的水平,这确保了激光器将在实现聚变的必要设计指标下运行。”
  尽管尚未进行点火演示,演示时间也并未确定。但据加州NIF设施的官员称,他们已完成了实现目标所需进程的75%。
  “我们所收集的所有实验数据资料表明,我们离实现点火的目标已经近在咫尺,且并未发现影响点火的关键性问题”他们说道,“我们可能在未来的几个月或更长时间里获得重大成就。无论如何,这相比原定项目计划中的50年期限将大大缩短。”
  虽然科研团队并未对激光聚变点火这一重要事件制定出准确时间,但激光聚变能负责人Mike Dunne今年早些时候曾说,点火可能在2012年年内实现。
  Dunne在今年1月举办的SPIE美国西部光电展(Photonics West)发言时说 :“我们现在有信心宣布,聚变点火将在未来的6-18个月内实现。”
  下一步:α粒子加热
  NIF团队的下一主要步骤是“α粒子加热”工作。即对激光内爆基础上产生的氦原子核(α粒子)进行加热,提高聚变燃料的温度并维持等离子体高温,使聚变反应持续。
  “我们已成功从核聚变反应产生α粒子,并使燃料达到足够密度以储存所需能量”NIF研究人员说,“我们将在今年夏天的实验中寻找实现α粒子加热最可行的内爆方式。”
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  可重复性
  此次1.8 MJ/500 TW的能量发射是一系列192束激光实验中最近的一次,这也表明了该激光系统的可重复性。“NIF会定期在比原先性能更高的水平下运行”实验室介绍道。
  在一系列实验中,7月5日的实验总能量第三次超过1.8MJ。此前,科学家取得的最高激光发射能量是在7月3日的实验中,在423W的峰值功率下有超过1.89MJ的能量传递到靶丸。
  今年三月的发射就已为7月5日的实验奠定了基础——激光系统传送能量首次达到1.8MJ,伴随411 TW的峰值功率。
  “自20多年前被构想以来,NIF装置正逐渐向科学家们所规划的激光聚变装置靠拢”NIF主任Edward Moses在实验室声明中说,“它现在正全面投入运作,科学家们也正朝着实现点火的目标以及为国家安全及基础科学研究的用户群体提供实验渠道,最终实现长期追寻的清洁核聚变能源而努力。”
  建造NIF设施最主要的原因是实现以受控方式来模拟核爆炸产生的条件——从而取代地下核武器试验。此外,在激光系统所创建的极端环境下,科学家还可模拟恒星和巨大行星内核的环境,进行科学试验,为科学界提供大量此前无法获取的数据。
  “500TW的能量发射是NIF团队所取得的非凡成就,创造了迄今只存在于恒星内部深处的前所未有的实验条件”,麻省理工学院高能密度物理部负责人Richard Petrasso在NIF的陈述中说,“对于世界各地的科学家以及像我们这样积极寻求极端条件下基础科学和实验室聚变点火目标的人来说,这无疑是一个振奋人心的非凡成就。”
  除核能管理和科学研究中的应用外,更长远的目标是开发可作为未来聚变发电站的此类聚变系统。虽然这一目标现在看来还遥不可及,必须克服一系列挑战——用激光在10 Hz的左右的频率射击靶丸;采用可经受反复激光聚爆和伴随着核聚变中子轰击的光学和其他组件;并能够以较为合理的成本实现上述条件。
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  寻求能经受这种极端条件的光学元件原是NIF激光器性能打靶水平中所关心的主要问题之一。但实验室研究人员正与工业合作伙伴密切合作,对光学元件进行改进并大幅度降低缺陷等级,为最新研究成果铺平道路。
  遭遇“滑铁卢” 点火实验未达预期效果
  在投入超过50亿兴建面积相当于露天足球场的巨型激光器后,美国能源部的核聚变点火实验并没有取得预期的效果。美国能源部寄希望于通过核聚变点火试验获得足够的能量或者模拟核爆炸的反应过程。
  最近一次的点火试验是在2012年的9月30日,但是该激光器日益增加的工艺挑战已远远超出原本的紧凑的时间表。
  美国国会正考虑该工程是否将继续下去,或者废弃,或者减慢进度以减少财政开支。
  利用激光引发核聚变反应来获得能量可追溯至数十年以前,但是利用激光核聚变研究核武器在1990年全球禁止在地下进行核爆炸试验后就显得尤为重要。
  最新的激光设备在1997年至2009年建成,称为美国国家点火工程。通过192束激光束照射装满氢原子的目标。由此产生的高压和高温是的原子与氦融合,产生热核能量爆发。但是今年的技术评审发现,科学家并没有完全清楚反应过程,以至于不能尽快的实现点火。
  劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们,通过1000多次的实验改进工艺,包括点火世界最大的激光器,开发卓越的检测仪器测试高温高压下的反应过程。虽然审计小组通过先进的技术,但是该项目仍将延后于预期。
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来源:激光网
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