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    用激光“造太阳”


    发布者:中物院          浏览量:          发表时间:2015-07-30

     

    用激光“造太阳”

     

          聚变能源,作为人类梦寐以求的终极能源,也被誉为“人造太阳”,一旦实现商业发电,将从根本上解决人类能源问题。从美国国家点火装置到国际热核聚变实验堆(iter)计划,无不是为这一终极目标而探索。

          为在这场漫长曲折的终极能源探索中,升起来自东方的“中国太阳”,我国唯一的核武器研制与生产单位中国工程物理研究院,正是其中一支隐秘而伟大的先锋力量:从1967年成功研制出我国第一颗氢弹,用惯性约束聚变的方式实现核聚变反应至今,该院通过军民融合的全国大协作,不断打破国外技术封锁,不断冲击世界先进,逐步建立相对完整、独立自主的惯性约束聚变研究体系,建成神光-ⅲ、聚龙一号等多套大型科学实验装置。

    (图为中物院展出的神光III-惯性约束核聚变激光驱动器)

          聚变反应,基本原理是通过使氢的同位素结合,产生氦和中子释放巨大能量。目前全球科学家们聚焦研究、可能实现可控核聚变的途径主要有两种,即磁约束聚变和惯性约束聚变。前者是通过强磁场较
          时间约束高温稀薄等离子体使之发生聚变反应,例如iter计划。后者原理类似氢弹,是利用多种高能量驱动方式形成高温高压环境,使氘氚靶丸实现热核聚变点火和燃烧,从而释放出更为巨大的能量。由于它可控、清洁、高效和资源充足,就像是装在“瓶中的太阳”。
          从上世纪60年代起,惯性约束聚变研究作为我国科学家与国际同步提出、同步研究的终极能源道路,于诞生之初便是我国军民融合研究的典范。其理论雏形,最早来源于“利用爱因斯坦的受激辐射原理,将激光放大后照射氘氚产生中子的实验建议”。这是由我国著名科学家、曾任中物院副院长的王淦昌先生在上世纪60年代,与国外科学家同期独立提出的。随后,为我国氢弹理论突破作出重要贡献的于敏先生明确了惯性约束聚变的实现路径。
          “你们知道激光的名字是谁取的?神光系列又怎么得名?”中物院副总工程师张小民说,“‘激光’一词是1965年由钱学森先生提出的,而在1966年,钱老听说了惯性约束聚变的构想后对此评价:你们的事业是在地球上人造一个小太阳。”

          上世纪80年代,中国工程物理研究院与中科院通过科研合作,共同组建了惯性约束聚变研究团队,并成立了国内第一个惯性约束聚变专业实验室,开展理论、实验、诊断、制靶、驱动器“五位一体”实验。1985年该项研究迎来重大成果,我国首台实现两路光源、千焦耳级出光,并可用于激光约束聚变科研的大功率激光器在中物院诞生,张爱萍将军曾亲自为它命名为“神光”。这就是目前我国神光-ⅰ、神光-ⅱ、神光-ⅲ系列名称的来源。

    (图为中物院神光III 可控核聚变实验炉)

          在国际聚变科研领域,无论是磁约束聚变,还是惯性约束聚变,都是世界各个科技大国暗自角力的战场。而我国的惯性约束聚变路线之所以在技术封锁的环境下,与世界科技强国并驾齐驱,正是由于它的军民两用特殊性质。“惯性约束聚变是在高温、高压、高密度条件下的实验。这实际上是与武器物理有关联的。目前在全球科学界对于聚变能源的探索中,惯性约束聚变是一个非常典型的军民两用技术。”张小民说,由于惯性约束聚变可用于未来清洁能源开发,各科技大国纷纷投入巨资开展研究,竞相争夺这一高技术领域的战略制高点。目前,随着我国对聚变科研的不断重视、新老科学家们前赴后继的努力,惯性约束聚变相关领域的研究正不断取得新突破。

          作为开展高能量密度物理和惯性约束聚变研究的首台十万焦耳量级高功率激光装置,“神光-ⅲ主机装置”,已在中物院基本建成。作为亚洲最大,世界第二大激光装置,神光-ⅲ主机装置共有48束激光,总输出能量为18万焦耳,峰值功率高达60万亿瓦。2015年2月,神光-ⅲ主机装置六个束组均实现了基频光7500焦、三倍频光2850焦的能量输出,激光器主要性能指标均达到了设计要求,这标志着神光-ⅲ主机基本建成,我国成为继美国国家点火装置后,第二个开展多束组激光惯性约束聚变实验研究的国家。

          2014年12月27日,中物院聚龙一号装置建设项目通过国家验收。作为国内首台多路并联超高功率脉冲激光装置,其采用超高功率脉冲装置驱动柱形金属丝阵负载,使其汽化并向轴心箍缩(即z箍缩),技术指标达到国际同类先进水平。中物院脉冲功率技术及应用研究室主任王勐说,聚龙一号输出电流达到800至1000万安培,电流脉冲上升时间小于千万分之一秒,瞬间功率超过20万亿瓦,相当于全球平均发电功率的2倍。截至今年5月,该装置进行近170次试验,取得了一批达到国际先进水平的物理实验结果。它的研制成功标志着我国成为少数几个独立掌握数十万亿瓦超高功率脉冲加速器研制技术的国家。

    (图为中物院聚龙一号装置放电瞬间)

          在国家大力支撑下,在几代科学家的不懈探索中,中物院惯性约束聚变科研及系列科学大装置,不仅正为武器物理研究提供重要的支撑力量,同时也为人类开展远期聚变能源研究提供重要手段。

     

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