惯性约束聚变激光驱动器.PDFVIP

惯性约束聚变激光驱动器 侯擎昊 3080100974 背景 人类的能源从根本上说来自核聚变反应，即发生在太阳上的 “轻核聚变”。人类已经在 地球上实现了不可控的热核反应，即氢弹爆炸。要获得取之不尽的新能源，必须使这一反应 在可控条件下持续地进行。为实现可控核聚变有两种方法，一是科学家们用托卡马克装置开 展 “磁约束聚变”的研究。另一条技术路线于20 世纪60 年代初提出的 “激光惯性约束核聚 变”。 原理 惯性约束核聚变( Inertial Confined Fusion, ICF）的基本原理是：使用强大的脉冲 激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸上，在瞬间产生极高的高温和极大的压力，被高度压缩的 稠密等离子体在扩散之前，向外喷射而产生向内聚心的反冲力，将靶丸物质压缩至高密度和 热核燃烧所需的高温，并维持一定的约束时间，完成全部核聚变反应，释放出大量的聚变能。 然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。首先要有1 亿度左右的高温；其次，参与反应的粒 子密度要足够高并能维持一定的反应时间，即 ‘nτ ’值要达到1 百万亿（秒/厘米3）以上， 这就是著名的劳逊判据。一些国家的实验室已经在这类激光装置上作了大量的基础研究工作。 美国、法国等已着手建造更大规模的巨型激光器，期望能够实现激光热核 “点火”。 图1 激光核聚变装置中，激光照射靶物球芯时，辐射空腔两端的光线情况 图2 惯性约束聚变原理 图3 左图是一个镀金的NIF 黑腔，右图是一个直径4mm 的试验胶囊，试验时这个内部充满氘和氚的气体的 胶囊将被塞入镀金黑腔，接受强激光的辐照，一旦NIF 点火成功，发生核聚变，就会形成强大的能量。 激光将用来压缩上图这样的一个豌豆大小的氘-氚粒状物，粒状物被封入一个称为 “Hohlraum”的镀金圆筒。然后将这个Hohlraum 被安装在直径为3.2 英尺的称为黑体辐射 空腔的靶室中央，192 条激光束聚焦在Hohlraum 上，并生成极强的X 射线，在高温和辐射 的作用下，粒状物将转化为等离子体，且压力不断升高，直至发生聚变。核聚变反应寿命很 短，大约只有百万分之一秒，但它释放的能量是引发核聚变所需能量的50 到100 倍。在这 种类型的反应堆中，需要相继点燃多个目标，才能产生持续的热量。据科学家估计，每个目 标的成本可控制在 0.25 美元左右，从而大大降低了核电厂的成本。 激光驱动器 高功率、短脉冲激光器是最先用于聚变并有最大成就的一类驱动器。在时间与空间上的 高度集中能力与可调节的性能，以及传输上的方便都是激光所特有的优点。最重要的激光系 统是钕玻璃（波长1.05μm），CO2 （波长10.6μm）,原子碘（波长1.315μm）与KrF （波 长0.248μm）等。 迄今，绝大部分聚变实验是利用钕玻璃激光(1.05μm 与其谐波 0.53μm，0.35μm 和 0.26μm)与CO2 激光完成的。这两种激光都已有大于104J 和大于1013W 的输出能力的装 置。钕玻璃激光虽效率低（1 ％）、成本高且重复率低，不能作为未来聚变堆的驱动器。 然而，研究表明：较短的激光波长(1μm)能有较好的束-靶耦合、更低的超热电子预加热和 更高的软X 射线转换效率;且钕玻璃激光的二次与三次谐波的转换率已可超过70 ％。所以， 钕玻璃激光仍然是演示原理性实验与核爆炸模拟研究的最有效的手段。CO2 激光虽效率高、 成本低,但波长效应仍是根本的问题。大型激光器已采取的先进技术，包括：像传播空间滤 波技术，低非线性折射率光学材料（如磷酸盐玻璃），准连续主动锁模振荡器，全电型脉冲 选择开关,大孔径片状放大器，大孔径高效率频率转换技术，多光束同步，光路自动调整以 及计算机控制运行等。单束钕玻璃激光的可聚焦功率密度已超过1017W/cm2，美国利弗莫 尔国家实验室的称为 “NOVA”的 100kJ、100TW 量级的超大型多路钕玻璃倍频激光系统 即将建成。 图4 神光Ⅱ的高功率激光装置 进展 中国 “神光”计划 神光- Ⅰ 1964 年,我国著名核物理学家王淦昌院士独立地提出激光聚变思想,并建议了具体方案. 按照这一创议,在我国第一个激光专业研究所-中国科学院上海光机所开始了高功率激光驱 动器的研制和应用并于 1971 年