世界最大激光器完成點火 離核聚變更近一步

可控的核聚變主流實驗方法：一是將核燃料放置在強磁場中，用微波或電磁束加熱;一是像NIF這樣，用高能量激光束聚焦到核燃料上?，F(xiàn)在很難說哪一條路更有希望讓人類掌握核聚變技術(shù)。

據(jù)國外媒體7月16日報道，世界上最大的激光器——美國國家點火裝置(NIF)日前在美國加利福尼亞州完成點火試驗。這次試驗的成功意義非凡，它不僅是人類歷史上威力最大的一次激光脈沖發(fā)射，也是人類在核聚變探索之路上的一座里程碑。

當(dāng)?shù)貢r間7月5日，位于美國加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的激光型核聚變裝置，即NIF創(chuàng)造了破紀錄的激光發(fā)射峰值功率和能量輸出。NIF的激光系統(tǒng)激發(fā)了192束紫外線激光脈沖，釋放出超過500萬億瓦特電能的峰值功率和1.85兆焦耳的紫外激光能量，峰值功率是目前同瞬間段美國全國電能消耗總和的1000倍以上，而紫外激光能量值是當(dāng)今世界上任何一個激光束能量的100倍。

NIF承載核聚變應(yīng)用的希望

NIF自2009年5月落成以來，一直無人能挑戰(zhàn)其世界上最大激光聚變裝置的身份。它能產(chǎn)生類似于恒星內(nèi)核的聚變條件，最初的設(shè)計目的是讓美國在無需核試驗的情況下依舊保持核威懾力。但在用于軍事及探秘宇宙天體以外，它也肩負了人類追尋清潔能源的偉大夢想。NIF利用超高能量的紫外激光聚焦于極小的氫燃料球上，有望讓人類取得近乎“取之不盡用之不竭”的核聚變能源。

2010年10月，NIF完成了其首次綜合點火試驗，激光系統(tǒng)向低溫靶室發(fā)射了1兆焦耳激光能量，這種規(guī)模已經(jīng)是當(dāng)時位列世界第二的羅切斯特大學(xué)激光試驗所達能量的30倍之多。

而在2012年3月15日進行的點火試驗再次打破紀錄。第一次成功創(chuàng)造了1.8兆焦耳的能量和411萬億瓦特的峰值功率。在試驗中，2.03兆焦耳的激光在經(jīng)過光學(xué)損耗后，射于靶室正中心為1.875兆焦，激光部件的損壞小于模型測試，且激光器在36小時之后又可以再次發(fā)射出創(chuàng)紀錄的一擊。不過，本次試驗只是證明性測試，目標靶室是空的，但究其意義仍不失為核聚變探索之路上的一座里程碑。

在7月3日，科學(xué)家們?nèi)〉?.89兆焦耳的記錄和423萬億瓦特的峰值功率。在7月5日的點火試驗中是第三次進行類似的試驗，聚焦目標靶的總能量達到了1.85兆焦耳和500萬億瓦特的峰值功率。NIF目前正處于前所未有的良好工作狀態(tài)中。

根據(jù)NIF負責(zé)人愛德華·摩西介紹：“NIF在二十多年前還僅是科學(xué)家們的構(gòu)想，目前已經(jīng)開始全面運作，科學(xué)家們正在朝實現(xiàn)點火、提供基本科學(xué)研究以及清潔核聚變能量的方向前進。”

NIF創(chuàng)造核聚變的空前紀錄

NIF的高能量激光脈沖創(chuàng)造了核聚變裝置的空前紀錄。麻省理工學(xué)院高能量密度物理部的負責(zé)人高級研究科學(xué)家理查德·彼得拉索博士認為：“NIF的科學(xué)家們使用激光釋放的500萬億瓦特峰值功率是個了不起的成就，在實驗室中創(chuàng)造了前所未有的只存在于恒星內(nèi)部的聚變條件。這對于全美乃至全世界各地的科學(xué)家來說，像我們這樣積極追求在極端條件下的基礎(chǔ)科學(xué)研究和實驗室聚變點火目標，是一項非同凡響和令人振奮的成就。”

在試驗中，NIF將192條激光束在230億分之一秒的時間內(nèi)集中于僅2毫米直徑的目標上。當(dāng)這些脈沖撞擊到目標反應(yīng)室上會產(chǎn)生紫外線激光脈沖，激光脈沖會集中于反應(yīng)室中心裝滿氫聚變?nèi)剂系乃芰戏鈿ど?。NIF的科學(xué)家估計，紫外線激光脈沖將把燃料加熱到一億度，并施加足夠的壓力使氫聚變?nèi)剂习l(fā)生反應(yīng)，釋放的能量將是輸入能量的15倍以上。

NIF前置的放大器是實現(xiàn)增加激光束能量的第一步，可確保以精確的路徑通向靶室。當(dāng)科學(xué)家們在上世紀九十年代計劃打造世界上最強大的激光裝置時，激光射擊驗證是一個極具挑戰(zhàn)性的激光性能指標設(shè)置。結(jié)合能量水平與峰值功率聚焦在一個目標上的技術(shù)是NIF實現(xiàn)物理學(xué)重大挑戰(zhàn)的關(guān)鍵性能要求：點燃實驗室氫聚變?nèi)剂虾彤a(chǎn)生更多能量。

　　此外，激光束之間的一致性控制在一個百分點，在這樣的精度前提下，NIF不僅擁有最高能量的激光束，也是最精確的，并可重復(fù)再現(xiàn)的。

　　加州大學(xué)伯克利分校的天文學(xué)和地球與行星科學(xué)家雷蒙德·簡洛茲教授表示：“NIF以世界上最令人難以置信的方式精確控制激光束，其取得500萬億瓦特峰值功率是令人驚嘆的里程碑，其成就是相當(dāng)顯著的。這一突破性的成果將為我們研究在極端條件下材料的性能提供了一個新的契機。”

科學(xué)家稱，在未來兩年內(nèi)將讓這192束激光朝氫燃料球開火，從而真正實現(xiàn)點火。同時，科學(xué)家將把這192束激光聚焦到1毫米的氫靶丸上，產(chǎn)生更大的能量。此外，科學(xué)家們還開發(fā)出相關(guān)內(nèi)部程序，減輕了由多次激光發(fā)射造成的損害。

各強國核聚變技術(shù)研究進展

NIF試驗影響了多個國家的巨型激光設(shè)施的新建或計劃，其中包括英國、法國、俄羅斯、日本和中國。

受到NIF的刺激，英國計劃在未來的20年內(nèi)建造全球首座核聚變發(fā)電站，并在2030年左右讓核聚變電站生產(chǎn)的電力并入電網(wǎng)，相應(yīng)的科研和建設(shè)計劃已制定完畢，即高能激光項目(Hiper)。Hiper其實數(shù)年前便已擬好，但由于可控核聚變技術(shù)多年來難有突破，該項目一直處于凍結(jié)狀態(tài)。英國研究理事會此前提出“所有技術(shù)障礙已基本移除”，甚至已經(jīng)為這座未來的核聚變電站選好了建設(shè)地址，牛津郡迪考特地區(qū)，并稱“核聚變將在未來全球的能源體系中占據(jù)舉足輕重的地位，英國不可以袖手旁觀”。

在法國兆焦激光器(LMJ)和歐盟超強激光構(gòu)造計劃(ELI)的先后啟動后，俄羅斯在2012年2月宣布，將建造世界上功率最大的激光裝置，地點可能選在下諾夫哥羅德州的薩羅夫科技園附近。俄實驗物理研究所科研負責(zé)人拉季·伊利卡耶夫說：“美國已經(jīng)擁有大功率激光裝置，法國很快也將建成此類裝置，俄羅斯雖然起步較晚，但我們的裝置將是全世界最好的。”

    　據(jù)我國國家863計劃慣性約束聚變(ICF)主題專家組原首席科學(xué)家賀賢土介紹，我國ICF點火研究采取的是一種從萬焦耳級到十萬焦耳級，再到百萬焦耳級的循序漸進的路線圖，即在近期萬焦耳級激光器研究基礎(chǔ)上，到2014年左右進入激光能量20到40萬焦耳神光Ⅲ平臺研究。經(jīng)過這一中間平臺對靶物理進行充分研究，然后外推到激光能量約為神光Ⅲ能量4到5倍的神光Ⅳ上進行ICF研究和點火演示，可以減少風(fēng)險。據(jù)悉，神光Ⅲ裝置設(shè)計是48束激光，2012年1月已出第一束激光，預(yù)計年內(nèi)可安裝完16束，計劃2014年全部出光運行，進行物理實驗。

然而，NIF項目也并非沒有爭議：它與美國的一些武器研制項目有關(guān)，核聚變技術(shù)同樣可用于制造氫彈;其也同“美國庫存照管計劃”有合作，主要用于確保美國老舊核武器的安全可靠。綠色和平組織等環(huán)保團體聲稱，核聚變研究占用了原本應(yīng)該屬于風(fēng)能和波浪能等成熟可靠的清潔能源技術(shù)的研究資金。

① 直徑達10米的靶室于1999年6月安裝，重達13.7萬千克。靶室從建設(shè)到投入使用一共花了近15年的時間。美國能源部部長朱棣文和加州州長阿諾·施瓦辛格出席了靶室的開啟儀式。施瓦辛格曾說，這一裝置將“徹底變革我們未來的能源格局”。

② 科學(xué)家利用一個獨立的便攜式潔凈室運輸和安置能量放大器和其他元件，這個潔凈室就像用來裝配微芯片的小室。每個能量放大器都被安裝在潔凈室附近，然后利用遙控運輸機把它們運輸?shù)搅壕€所在處。

③ 為激光器的7680個閃光燈提供電能的超過160公里的高壓電纜。

④ NIF中“氘-氚靶丸”和盛放靶丸的鍍金輻射腔。

⑤ NIF的終端光學(xué)檢查系統(tǒng)?？茖W(xué)家利用世界上最強激光產(chǎn)生的192道光束直接照射在冰凍的氫原子珠上，激發(fā)了一次持續(xù)十億分之五秒的猛烈爆炸。

⑥ 這個鈹球包含放射性氫同位素、氘和氚。科學(xué)家將利用這個系統(tǒng)的192個激光器產(chǎn)生的紫外射線轟擊它。核子熔合的關(guān)鍵是有足夠的能量把兩個核子熔合在一起，在這項實驗中用的是氫核子。由于把兩個核子分開的斥力非常強，因此這項任務(wù)需要利用極其復(fù)雜的工程學(xué)和特別多的能量。

⑦ NIF的靶室內(nèi)部，192束激光將聚焦在這里的小小氘-氚靶丸上。

⑧ NIF不僅有世界上最強的激光，也有世界上最大的光學(xué)儀器。這是磷酸二氫鉀晶體，重達360千克，是激光器的主要部分。應(yīng)用新的方法，生成這么一大塊晶體只需要兩個月時間，而傳統(tǒng)的方法則需要兩年。每塊晶體被切成邊長40厘米的方形晶片，整個NIF需要600個這樣的晶片。

⑨ NIF的靶室。這個巨型裝置坐落在加州的一個特大實驗室里，它利用激光將微小的氫原子轉(zhuǎn)變?yōu)闊岷朔磻?yīng)的能量。大約要經(jīng)過12個月，裝置才能逐漸達到全功率運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，不過相關(guān)實驗還要繼續(xù)進行，直到2040年左右。(。