雷射核聚變裝置

雷射核聚變裝置是美國科學家建成擁有世界上最強大雷射束的核聚變實驗裝置，準備探索以核聚變利用核能的可能性。 這個位於美國加州的國家激發實驗裝置將在2009年6月投入使用，在2010年到2012年之間產生最初的實驗結果。 在這個國家實驗室所進行的實驗中，科學家將使用192個大型的雷射束照射一個微小的氫燃料聚集，以激發這些燃料發生核聚變。

基本介紹

• 中文名：雷射核聚變裝置
• 研發者：美國科學家
• 投入使用日期：2009年6月
• 建成所用時間：12年
• 設備負責人：摩西博士
• NIF：耗資35億美元

基本簡介

為證明核聚變的發生，科學家必須證明實驗產生的能量要高於消耗的能量。在歐洲領導類似科學研究的科學家鄧恩教授說，如果實驗獲得成功，那將是一個震撼性的事件。美國科學家花了12年的時間建成這個實驗裝置。設備負責人摩西博士說，“國家激發實驗裝置”的竣工是一個歷史的里程碑。核聚變有可能為人類提供幾乎是取之不盡用之不竭的清潔能源，是科學家長期探索的領域。把和平利用核聚變能源的物理學理論轉變為工程實際，是科學家夢寐以求的目標。

雷射束聚集於核燃料藝術圖片

在加利福尼亞州的一個特大號“倉庫”里，一台巨大的設備開始運行，將恆星的能量展現在我們面前。美國國家點火裝置的成功啟動，將為雷射核聚變發電站的商業化套用掃清道路，也將成為世界能源危機的應對之策。雖然這是試探性的一步，但它的成功則意味著或許就將迎來一個清潔的、幾乎用之不竭的能源新時代。

1999年6月吊裝靶室

1999年6月吊裝靶室

美國國家點火裝置（簡稱NIF）耗資35億美元，建造於一個高十層樓的建築里，占地面積有三個足球場那么大。它利用雷射把固態氫靶丸轉化為熱核能量。如果按計畫如期運轉，那么這個裝置將成為世界上首台產能高於耗能的設備，也將為雷射核聚變電廠的商業化套用掃清道路，解除世界能源安全所面臨的問題與危機。

該裝置的建造與安裝調試耗時近15年，在一個慶祝成功儀式後投入使用。參加上述儀式的有美國能源部長朱棣文（Steven Chu）和美國加利福尼亞州州長阿諾德·施瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）。後者曾表示，此裝置將“徹底改變我們的能源狀況”。

研究發展

英國原子能管理局（UKAEA）核聚變研究中心位於英國牛津郡的卡拉姆，其助理技術指導德里克·斯托克（Derek Stork）說：“如果他們真的成功了，那就太了不起了！迄今還沒有人能夠實現能量的淨產出。”

在裝置內部，研究人員用世界上最強大的雷射器產生192條雷射束。

雷射核聚變裝置內部

這些雷射束將打在一個固態氫球形靶丸上。此過程極其短暫，僅持續五十億分之一秒。作為燃料的氫靶丸，每一個直徑只有兩毫米，價值卻在四萬美元左右，因為它們必須是完美的球體，以保證在被雷射擊中後能夠以理想的方式發生崩潰。強大的雷射束產生強烈的衝擊波，後者將以每小時100萬英里的速度壓碎靶丸，同時產生一億攝氏度左右的高溫。在這種原本只能發生在恆星內部的極端條件下，氫原子將發生聚變反應而生成氦原子，同時釋放出大量能量。

在未來一年左右的時間裡，該裝置將逐步提升至滿負荷運轉，但是實驗將按計畫進行到2040年左右。美國國家點火裝置如獲成功，可用於科技領域，建立第一代併網發電的示範性電廠。位於卡拉姆的英國原子能管理局已經制定了一個雷射核聚變電廠的系列規劃。歐洲高功率雷射能源計畫（the Hiper project）將用兩束雷射發電，原料是海水和鋰，後者是一種含量豐富的元素。

參與歐洲高功率雷射能源計畫的約翰·帕里斯（John Parris）說：“此計畫的實施將立即改變未來世界的能源地圖，一立方千米海水所包含的核聚變能量等於世界全部石油儲量

所釋放能量的總和。”一小部分國家控制著全球的大量石油，導致眾多國家擔心自身的能源安全。而歐洲高功率雷射能源計畫實施後，上述擔心將蕩然無存。

美國國家點火裝置還有一些主要的技術難點需要攻克，之後研究者們才能額手稱慶。裝置中央的雷射器每天只能發射幾次，而且需要在發射間歇更換氫靶丸。研究者期望在未來的幾年裡做出改進，以使得裝置能夠連續運轉。這也許意味著，雷射器每秒就可以發射10次，而且可以在半空擊中落入聚變室的氫靶丸。

點火裝置

國家點火裝置的終端光學檢查系統。科學家利用世界上最強雷射產生的192道光束直接照射在冰凍的氫原子珠上，激發了一次持續十億分之五秒的猛烈爆炸。 美國國家戰火裝置實驗室位於加利福尼亞

美國國家戰火裝置實驗室位於加利福尼亞

國家點火裝置不僅有世界上最強的雷射，也有世界上最大的光學儀器。這是磷酸二氫鉀（KDP）晶體，重達800磅（360千克），是雷射器的主要部分。套用新的方法，生成這么一大塊晶體只需要兩個月時間，而傳統的方法則需要兩年。每塊晶體被切成40平方厘米的晶片，整個國家點火裝置需要600個這樣的晶片。

直徑達10米的靶室於1999年6月安裝，重達28.7萬磅（13.7萬千克）。靶室從建設到投產一共花了近15年的時間。按照計畫，美國能源部部長朱棣文和加州州長阿諾·施瓦辛格將出席靶室的開啟儀式。施瓦辛格曾說，這一裝置將“徹底變革我們未來的能源格局”。

線上性可替換單元（LRU）之間的雷射玻璃調和板。LRU由一個大的金屬框及其固定的各種類型的透鏡、反射鏡或玻璃組成。這些透鏡或玻璃等可以輕鬆地安置在光束線中，也可以方便地取出進行維護。玻璃調和板LRU將安裝在兩個閃光燈暗盒之間，雷射束穿過的時候，閃光燈暗盒點燃，從而使雷射在通往靶室的過程中吸收來自特殊處理的玻璃的能量。

主要典型

由於雷射核聚變具有非常重要的意義，世界各國都在加緊研究，並展開激烈的競爭。這裡所介紹的是國際上幾種有代表性的雷射核聚變裝置。

托卡馬克核聚變

早期比較有希望的一種雷射核聚變裝置是由原蘇聯發明的，稱為托卡瑪克。同一時期，美國也在研究類似的系統。

托卡瑪克具有環形結構，工作時，有20束雷射同時照射填充氫同位素靶的

裝置使用60年重800磅的晶體

裝置使用60年重800磅的晶體

中心，其中10束從裝置上方入射，另外10束則來自底部。要求用3萬公升/分流量的水加以致冷。這屬於間接驅動方式。由美國能源部投資2.84億美元建造的類似系統從1982年開始在普林斯敦大學運轉。

80年代中期，美國勞倫斯·利物謀國家實驗室建造了一個稱為諾瓦的裝置。諾瓦用釹玻璃固體雷射的3倍頻作點火光源，波長351納米，脈衝能量45千焦，脈寬2.5納秒（因而峰值功率為1.8×1013瓦）。該裝置全長66米，靶室長30米，1.8米厚的混凝土牆壁保護工作人員免受雷射衝擊波的燒灼。

歐米伽與奈克

進入90年代，美國又有兩個新的雷射核聚變系統投入工作。一個是羅徹斯特大學雷射能量實驗室發展的歐米伽升級裝置，另一個是海軍研究實驗室的奈克設施。

歐米伽升級裝置與諾瓦相似，也採用釹玻璃雷射的3倍頻作為點火光源，單脈衝能量為45千焦，但其脈寬只有1納秒，因而最大峰值功率為諾瓦裝置的2.5倍，並被認為是當時世界上功率最高的器件。裝置從研究、設計到建造共花費6100萬美元。

歐米伽升級裝置首先將1束光分為3束，並加以放大，然後將放大後的光再作多次分束，共產生60束波長為1.054微米的近紅外輻射，最後進行了倍頻，得到351納米的紫外線，它比1.054微米的紅外光束更容易與靶耦合。

奈克系統的研究者於80年代後期決定放棄釹玻璃雷射器的研究，轉而以氟化氪準分子雷射為基礎。後者具有波長更短（248納米）、效率較高等優點，且奈克系統的研究、設計與建造的費用不到歐米伽裝置的1/3。

奈克系統中的雷射束以56束多路傳播和中繼，並同時打到靶上。在這些光束中有44束用於靶的加速，另外12束則用作產生靶診斷的後向散射光。

核聚變實驗裝置

1992年7月，柯林頓總統宣布美國延期暫停核試驗，同時責成能源部探索在不進行地下核試驗的情況下確保美國核彈頭先進、可靠和保密的其他途徑。1994財政年度，國防管理法規要求能源部提交一項有關美國核武器核心知識和技術資料安全管理的計畫。1994年11月，被稱為“國家點火設施”的雷射核聚變計畫正式簽發，同時得到能源部“慣性約束核聚變”顧問委員會的贊同，並於1996年的國會預算中獲得0.61億美元的撥款。

國家點火設施計畫採用192束351納米波長的雷射，總能量為1.8兆焦。諾瓦聚變雷射器的誕生地——勞倫斯·利物謀國家實驗室被認為是國家點火設施最合適的選址。當時計畫1997年春開始建造，並希望於2002年晚些時候建成使用，總預算為10.74億美元。

法國“太陽神”及未來計畫

自1986年以來，一個被稱為“太陽神”的雷射核聚變裝置就在法國開始運轉。

太陽神由美國勞倫斯·利物謀國家實驗室工程設計，該實驗室和法國里梅爾小組共同建造。因“師出同門”，系統與諾瓦頗為相似，以釹玻璃雷射器為基礎，3倍頻後在351納米處產生脈寬1納秒的脈衝，但脈衝能量只有8千焦。

1994年，法國原子能委員會和美國能源部簽署了一項美法共享兆焦級雷射研究成果的雙邊協定。1995年5月，法國政府宣布，它將在波爾多市附近建造一個自己的系統。該系統與美國的國家點火設施類似，採用波長351納米的3倍頻釹玻璃雷射器，60組共240束（每組4束）雷射，總脈衝能量為1.8兆焦。原計畫也是1997年初開始建造，預計6～8年建成，耗資12億美元。

中國慣性約束核聚變研究

慣性約束核聚變研究工作的三要素是，極高功率的雷射系統，雷射照射目標（靶）的物理特性及診斷設備。

中國於80年代較早時候研製成功國內當時功率最高的釹玻璃固體雷射器，即被稱為“神光Ⅰ號”的裝置。1986年和1990年，在該裝置上先後進行了直接驅動和間接驅動熱核聚變實驗，它標誌著中國在該領域已進入世界先進行列。

1993年，經國務院批准，慣性約束核聚變研究在國家863高技術計畫中正式立項。從而推動了中國這一領域工作在上述三個方面更迅速地發展。首先表現在，由中國科學院和中國工程物理研究院聯合研製的功率更高的神光Ⅱ號固體雷射器問世，它在國際上首次採用多項先進技術，將成為我國第九個和第十個五年計畫期間進行慣性約束核聚變研究的主要驅動裝置。與此同時，曾為中國在這一領域的研究與發展立下汗馬功勞的神光Ⅰ號於1994年光榮退役；另一方面，比神光Ⅱ號技術更先進、規模更大的新一代固體雷射器的設計工作已經開始，有關的多項單元技術已取得顯著進展，一些重要技術達到國際水平。此外，作為另一種可能的驅動源，氟化氪準分子雷射器的研究也取得重大進展。

在靶物理研究方面，建立了很多理論模型，進行了大量數值模擬，在神光裝置和星光裝置上所進行的物理基礎研究，對雷射與靶耦合、輻射場與高溫高壓電漿特性、內爆動力學和流體力學不穩定性、熱核點火和增益燃燒等物理規律進行了系統研究，獲得了對靶物理規律較系統和深入的認識。

診斷設備方面，在原有基礎上積極研製、開發和引進一批高精度的儀器，對物理測量起到了十分重要的作用。

可以期望，中國雷射領域的廣大科技工作者將發揚艱苦奮鬥的精神，最終實現慣性約束核聚變的點火燃燒，建成聚變核電站，為中國經濟發展和人民生活提供最理想的能源。

日本的“新雷射Ⅻ”和拍瓦項目

日本目前正在運轉的有代表性的裝置是大阪大學雷射核聚變研究中心建造的“新雷射Ⅻ”系統。

隨拍瓦（l拍瓦=10 15瓦）雷射器的迅速發展，該中正在研究一種“高速點火”方法，其目標是力爭在21世紀初實現點火、燃燒和高增益化。

主要用途

研製新型氫彈變身“常規武器”

雷射核聚變除了可生產取之不盡的清潔能源外，在軍事上還可用於發展新型核武，特別是研製新型氫彈，同時亦可部分代替核試驗。因為通過高能雷射代替核子彈作為氫彈點火裝置實現的核聚變反應，可以產生與氫彈爆炸同樣的電漿條件，為核武設計提供物理學資料，進而製造出新型核武，成為戰爭新“殺手”。

早在20世紀50年代，氫彈便已研製成功並投入使用。但氫彈均是以核子彈作為點火裝置。核子彈爆炸會產生大量放射性物質，所以這類氫彈被稱為“不乾淨的氫彈”。

採用雷射作為點火源後，高能雷射直接促使氘氚發生熱核聚變反應。這樣，氫彈爆炸後，就不會產生放射性裂變物，所以，人們稱利用雷射核聚變方法製造的氫彈為“乾淨的氫彈”。傳統的氫彈屬於第2代核武，而“乾淨氫彈”則屬於第4代核武器，不受《全面禁止核子試驗條約》的限制。由於不會產生剩餘核輻射，因此可作為“常規武器”使用。

美法日“人造太陽”

美國仍居世界領先地位，不僅擁有世界上最大的“諾瓦”雷射器、世界上功率最大的“X射線模擬器”和“國家點火裝置”。

法國雷射核聚變研究以軍事化為主要目標，確保法國TN-75和TN-81核彈頭能處於良好狀態。早在1996年，法國原子能委員會便與美國合作進行一項龐大的“兆焦雷射計畫”，預計20

小小核聚變燃料艙將釋放巨大的能量

小小核聚變燃料艙將釋放巨大的能量

經費預算達17億美元。其主要設施240台雷射發生器可在20納秒內產生180萬焦耳能量，產生240束雷射。

日本1998年，日本成功研製核聚變反應堆上部螺旋線圈裝置和高達15米的複雜真空頭，標誌著日本已突破建造大型核聚變實驗反應堆的技術難點。

核聚變

與核裂變依靠原子核分裂釋放能量不同，聚變由較輕原子核聚合成較重原子核釋放能量，常見的是由氫的同位素氘與氚聚合成氦釋放能量。與核裂變相比，核聚變能儲量更豐富，幾乎用之不竭，且乾淨安全，不過操作難度巨大。

當星體內部存在巨大壓力，核聚變能在約1000萬攝氏度的高溫下完成，然而，在壓力小很多的地球，核聚變所需溫度達到1億攝氏度。“國家點火裝置”將寄望通過匯聚大功率雷射束實現這一高溫。能否在核聚變過程中實現“能量收益”是問題的關鍵。之前有試驗實現過核聚變，但未能使核聚變釋放的能量超過試驗所需能量。