慣性約束聚變能源與激光驅動器
著者 范滇元 賀賢土
中文摘要 摘 要
聚變能源是一種“乾淨的”幾乎取之不盡的能源。研究進展表明，有希望在廿一世紀中葉實現商業發電。慣性約束聚變則是實現聚變能源的可能途徑之一。八十年代末，美國用地下核爆的輻射能量成功地驅動慣性約束聚變，證實了這一技術路線在科學上的可行性。九十年代以來，許多國家制定龐大的發展計劃，以“點火”為目標，建造百萬焦耳級的巨型激光裝置。同時，並行地開始了用於聚變能電站的驅動器研究。我國已有三十多年研究基礎，現已制定跨世紀的“神光-Ⅲ”計劃，將在下世紀初建成十萬焦耳級的激光裝置，開展相關基礎物理研究。
正文 一. 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。據估計，到下世紀中葉前後，全世界能源消費的需求將超過傳統能源的供給能力，必需開發新的能源以彌補其短缺。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並釋放出中子的過程稱為“聚變”。太陽的巨大能源即來源於聚變，而氫彈的爆炸則是地球上人為的聚變反應。如果能在人工可控條件下實現聚變反應，則可以提供幾乎取之不盡的能源。和傳統能源相比，聚變燃料具有最高的比能。
然而聚變反應所要求的條件卻極為苛刻。首先要有1億度左右的高溫；其次，參與反應的粒子密度要足夠高並能維持一定的反應時間，即‘nτ’值要達到1014 （秒/厘米3）以上，這就是著名的勞遜判據。
為了實現上述條件，目前有兩條技術途徑：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動源，脈衝式地提供高強度能量，均勻地作用於裝填氘氚燃料的微型球狀靶丸，利用反衝壓力，使靶的外殼持續向心運動，壓縮氘氚燃料到每立方厘米幾百克質量的極高密度，並升溫到熱核點火溫度；驅動脈衝寬度為納秒級，在高溫高密度熱核燃料來不及飛散之前，即完成反應過程並釋放出核能。實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。六十年代初，我國激光聚變研究剛剛起步的時候，錢學森院士就形像地指出：你們的事業是在地球上人造一個小太陽！二. 慣性約束聚變的科學可行性研究走向聚變能源要歷經三個里程碑階段：* 得失相當（breakeven）：聚變釋放的能量等於觸發聚變反應所輸入的能量；* 點火（ignition）：聚變能產生的速率足夠快使等離子體維持在所要求的溫度而不需要附加加熱；* 商用（commercial viability）: 在工程設施上聚變過程產生純能量輸出；同時經濟效益可以和其它能源相競爭。慣性約束聚變研究始於六十年代激光出現後不久，至今已有三十多年，取得顯著成效。證實了原理可行性，探索出可行的科學技術途徑，實驗室條件下的聚變“點火”指日可待。
1. 慣性約束聚變的物理過程和驅動方式慣性約束聚變的物理過程
（1）加熱 （2）壓縮 （3）點火 （4）燃燒(1)加熱: 激光（或離子束，X光輻射）照射靶丸，快速加熱表面(2)壓縮: 靶丸表面物質向外噴射，形成的反衝壓力將靶丸向心壓縮(3)點火: 靶心燃料被壓縮到20倍鉛密度，並在108度高溫下點火(4)燃燒: 發生熱核爆炸並迅速擴展到整個燃料，從而釋放核能，並
大於輸入能量若干倍有兩種方式驅動上述聚變反應：* 直接驅動激光束直接照射氘氚靶丸。這種方式有較高的效率，但是為了達到高倍的壓縮，要求驅動光束在4?立體角方向極為均勻地照射靶面，均方差小於1-2%. 這是極其困難的。* 間接驅動
為了避開這一難點，提出了另一種稱之為“間接驅動”的照射方式，如下圖。
此時激光束照射包圍靶丸的外殼內壁，產生X光輻射，X光經輸運和均勻化後再加熱氘氚靶丸。也可用離子束作驅動源，如下圖，離子束先轟擊圍繞靶丸的物質，轉換為X射線，然後由X光加熱靶，從而實現間接驅動的聚變反應。* 快點火不論那種驅動方式，對驅動器的能量和質量要求均很苛刻。近年來，提出了一種新的點火手段，這就是在進入聚變第三階段時，外加一束高強度超短脈衝，注入到稠密等離子體燃料內，快速地點燃並擴展到整個體積。理論研究表明，把原先的中心點火方式改進為體點火，可以大幅度降低對驅動能量的要求，已成為國際研究的熱點。
2. 慣性約束聚變研究進展
慣性約束聚變研究在世界範圍內取得重要進展，美國里弗莫爾國家驗室最為先進，從1975年至今，建造了六代激光驅動器，輸出功率提高了近五個量級，取得一系列重要靶物理成果。其發展情況可歸納為下表，縱座標是達到的n?值。
究竟需要多少驅動能量才能達到點火和能量增益呢？八十年代末，美國實施“百人隊長”計劃，利用地下核爆輻射的X光作為驅動源，輻照氘氚靶丸，成功地實現了具有10-100倍能量增益的聚變反應。而且實驗結果和LASNEX程序計算相符。從而證實了慣性約束聚變的科學可行性，也明確了需要有百萬焦耳級的驅動能量才能滿足要求。
這一結果公布後，很大地推動了國際ICF研究。1989年主要國家科學家聚會西班牙，發表了著名的“馬德里宣言”，號召全世界科學家合作，向點火目標前進。1994年國際原子能署（IAEA）召開的慣性約束聚變驅動器國際會議上，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及各階段計劃的銜接關係, 如下圖(圖中,ETF是Engineer Test Facility):
國際上已投入運行的激光器和計劃建造的巨型裝置，歸納為下列兩表。國際主要釹玻璃激光裝置激光裝置國 家 及 實 驗 室輸出能量束數建成時間GEKKO-XII日本大阪大學ILE15KJ/3ω121983PHEBUS法國里梅爾實驗室10KJ/3ω2VULCAN英國盧瑟福實驗室
2KJ/3ω8HELEN英國原子武器中心1KJ/1ω1NOVA美國里弗莫爾實驗室40KJ/3ω101984OMEGA美國羅徹斯特大學LLE30KJ/3ω601995Beamlet美國里弗莫爾實驗室6.4KJ/3ω11994計劃建造的巨型釹玻璃激光裝置 裝置名稱國家及實驗室能量/波長束數預定進度NIF美國里弗莫爾1.8MJ/3ω1922002MLF法國核武器所1.8MJ/3ω2402005100-TW英國武器中心＞100KJ/3ω32金鋼日本大阪大學＞100KJ/3ω尚未批准美國“國家點火裝置”（NIF）的設計目標是實現點火併達到5倍能量增益。設計工作區在點火閾值的兩倍處，留有餘地，如圖。
* NIF的主要技術指標輸出能量: 1.8MJ, 500TW (3ω);功率平衡: <8% rms (2ns範圍內);靶瞄準精度: <50μm;插頭效率: 1% (電能到3ω光能)高能發射次數(年):產額為1KJ-100KJ 100次產額為100-500KJ 35次產額為5MJ-10 MJ 10次* 激光系統結構* 激光束由192子束組成, 每束口徑40×40cm, 輸出10KJ;* 192束分成四大路, 每大路由12×4列陣組成;* 激光裝置大確廳面積200米×85米.* 靶場寬30米、高30米;* 激光束從上下方向射入真空靶室, 光學元件離開球壁4米;然而，包括NIF在內的所有裝置都只能做到聚變能源的科學可行性驗證，並不能成為聚變能電站。關鍵在於，驅動器只能單次發射（幾小時一次），而且驅動器本身的能量轉換效率不高，約為1%左右。三. 慣性約束聚變的工程可行性研究為實現慣性約束聚變商用能源的里程碑目標，需要滿足下列四個條件：（1） 高增益靶-輸出的聚變能量比輸入的驅動能量大50-100倍；（2） 驅動器能以5-10Hz的重複率工作，插頭效率達10-30%；（3） 靶的成本降低到25美分左右，且年生產率達到1億個；（4） 裝置具有長達30年的使用壽命。
為此開展了高效率、可重複率運轉的驅動器研製和聚變能電站的總體概念設計。
用於聚變能電站的候選驅動器主要有：* 半導體激光泵浦的新型固體激光器* 氟化氪激光器* 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計為例，說明有關的研究進展。
第一種激光器與現有裝置不同在於：用半導體激光管代替氙燈，用作固體激光器的泵浦源；選取擇與之匹配的激光工作介質：Yb:S-FAP晶體。以此為基礎，里弗莫爾實驗室科學家完成了全半導體激光泵浦固體驅動器(DPSSL)的聚變能電站設計。他們在技術上詳細地分析和計算了DPSSL聚變電站的方案和造價, 編制了1400行的計算機程序，得到的結果是:發電功率 100萬千瓦;電費成本 每度電費8.6美分;電站總造價 ＄4.6B (46億美元).激光系統的3ω總能量 4MJ插頭效率(從消耗電能到3ω激光能)η= 8.6%;靶增益 G=76，即ηG～7激光器及電站示意圖如下。他們的結論是:“DPSSL is leading candidate for IFE”.四. 國ICF激光驅動器研究概況和展望
1964年,我國著名核物理學家王淦昌院士獨立地提出激光聚變思想,並建議了具體方案. 按照這一創議,在我國第一個激光專業研究所-中國科學院上海光機所開始了高功率激光驅動器的研製和應用並於 1971年獲得氘-氘碰撞中子. 1978年中國工程物理研究院和中國科學院攜手合作, ICF研究進入了全面發展的新階段。近廿年來, 致力於研製和應用釹玻璃激光驅動器 -“神光”系列裝置, 取得了顯著進展, 推動了我國ICF實驗和理論研究, 並在國際上占有一席之地.
1.“神光-Ⅰ”裝置建成於1986年。該裝置輸出兩束口徑為200mm的強光束，每束激光的峰功率達1012瓦，脈衝寬度有1ns和100ps兩種，波長為1.053μm的紅外光，可倍頻到0.53μm綠光。“神光-I”裝置建成後連續運行八年,在前沿物理實驗研究中取得一批國際先進水平的成果，主要有：* 我國首次間接驅動內爆出中子實驗成功* 極高壓下材料狀態方程的高精度測量 * 類氖鍺X光激光達增益飽和並具有近衍射極限的光束質量* 複合泵浦X光激光研究獲得一系列國際首次報道的新譜線, 並向短波長推進到4.68nm
2.“神光-Ⅱ”裝置
和Ⅰ號裝置相比，規模擴大4倍，可輸出8束強光，立體地照射氘氚靶丸。紅外波長的激光能量達6KJ/1ns，並可變換到0.35μ的紫外激光。脈衝寬度有1ns、100ps、20ps和1ps四個檔次。
目前,該裝置已進入總裝調試階段, 計劃1998年投入試運行。它將是我國“九五”及“十五”期間ICF研究的主要驅動器。
3.“神光-Ⅲ”裝置為了開展更深層次的ICF物理研究(包括點火預研究)，以滿足廿一世紀發展需求，制定了研製“神光-Ⅲ”裝置的規劃，並已開始概念設計和可行性論證。規劃中的“神光-Ⅲ”裝置是一個巨型的激光系統，比當前世界最大的NOVA裝置還要大一倍多。它具有60束強光束,紫外激光能量達60KJ,質量和精密性要達到廿一世紀的國際先進水平。
我國激光驅動器研究的現狀和發展前景：* 現在到下世紀初，“神光Ⅱ”裝置運行並精密化--8束，2.4KJ/3?* 2000年前後，研製“神光Ⅲ”裝置的雙路原型--2KJ/3?* 2004年前後，建立“神光Ⅲ”裝置--60束、60KJ/3?* 2010年前後，研製“神光IV”裝置--點火裝置
神光Ⅲ裝置是世紀之交我國歷史上光學領域最宏偉的科學工程，必將全面帶動相關科學技術攀登世界水平，是我國綜合國力在科技領域的標誌性體現，其作用和意義不亞於當年的“兩彈”。這是挑戰也是機遇，在走向聚變能源的道路上需要幾代人的不懈努力。
不論是國外還是國內,巨型激光驅動器都是綜合國力的反映,能夠代表一個國家在這一領域的科技水平.它的研製對相關科學技術有重大的帶動作用.下面,以“神光-Ⅲ”為例,作幾點說明.
“神光-Ⅲ”裝置是多種學科、多種技術的綜合集成.下面列舉所涉及的十個技術門類和相關內容:1. 激光器件和單元
激光振盪器;脈衝整形器;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. 激光和光學技術
超短脈衝激光技術;光纖和集成光學技術;半導體二極管泵浦技術自適應光學技術;二元光學技術等.3．光學元件
高光學質量(Δn～10-6量級)、高破壞負載(15～18J/cm2)、大尺度(350×350mm或更大)的釹玻璃、光學玻璃、石英玻璃、非線性晶體等材料,以及若干特種功能材料.4. 光學薄膜
與光學材料匹配的大口徑、高負載、多波長和多種功能的光學薄膜,如增透膜、高反膜、分光膜和偏振膜等.除採用真空鍍膜工藝外,還將大力發展和應用Sol-gel 鍍膜技術.5. 精密光學冷加工和檢測
大口徑、1/10波長平度、0.5納米表面粗糙度的光學冷加工和相應的檢測手段;以及對大口徑晶體材料(如KDP)的金剛石車床切削加工.建立和完善相應的檢測手段,如移相式干涉儀、哈特曼波面測量儀、計算全息波面實時測量儀、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衝測量、2%精度的紫外光能量測量、時間分辨的光譜測量、動態範圍達4個量級以上的光強分布測量等.7. 電工技術
激光器的電源是一個龐大的電工系統.工作方式是單次儲能和脈衝放電.儲能能量(電能)約30MJ;以閃光燈(氙燈)為負載放電,脈衝寬度一般為0.5～1ms; 並行的放電路數約為2000路;多路放電的時間同步精度要求5～10μs;一般用電容器作為儲能元件,充電電壓重複精度要求0.05～0.1%.充電電壓23KV,每路放電的峰值電流約10KA,為此,要有效地防止強電磁干擾.研製高比能電容器(1KJ/dm3)是提高性能、降低成本的重要途徑.8. 精密機械和真空系統
在驅動器系統中,激光束要經過數百米的長光路和數百個元件,最後以極高精度聚焦到微型聚變靶丸上.瞄準精度為1.5″左右.因此對整個系統的機械結構都有嚴格的要求,尤其是集中在靶場系統上.初步估計,在靶場中約需250台口徑為500mm的伺服反射鏡,而且要以不同的角度分布安放在20米高的桁架上.反射鏡和桁架結構的穩定性和調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.最大容積約60立方米,真空度要求10-6乇(空腔時).將從傳統的分子泵、離子泵發展到高抽速的低溫冷凝吸附泵.不論何種類型的真空泵,都要求儘可能低的振動,以免影響光學對準的精度.9. 計算機和自動控制技術
光路自動準直和靶瞄準;多媒體運行指揮系統;仿真模擬技術;以圖像為主的數據採集和處理;第三代計算機輔助設計10.實驗室環境工程(地基、建築、潔淨、恆溫、低濕度)
主實驗室的使用面積約在1萬平米以上,要求恆溫到0.2～0.5℃;相對濕度小於50%(最好小於40%);潔淨度分別為100級、1,000級和10,000級;地基必需隔振,振幅要小於幾微米等等.
上述各項技術要求,大多數達到有關領域的“頂級”水平.同時,還要求能較大幅度地降低造價.因此,必需有顯著的創新,才能同時做到高水平和低造價.無疑將大大推動技術進步,向國際先進水平邁進.
ICF事業的最終成功需要幾代人的努力。在王淦昌、王大珩、于敏等老一輩科學家帶領下，已奮鬥了三十多年,取得矚目成果。從歷史的長劇來看，不過是一個序幕，序幕還不是高潮，高潮還在後頭。二十一世紀的慣性約束聚變研究將是年青一代科技工作者大顯身手的午台。