激光惯约束聚变(ICF)驱动器的研究进展与快点火概

时间:2019-08-17

  1.本站不保证该用户上传的文档完整性,不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。 第五届全国光子学大会会议论文集 第一分册:特约报告 激光惯性约束聚变(ICF)驱动器的研究进展 和快点火概念平台 林尊琪 (中国科学院上海光学精密机械研究所) 摘 要:简要介绍了激光惯性约束核聚变(ICF)的工作模式、应用目标及不断对激光驱动器提出 的新技术要求。列举了国内外ICF 驱动器研究工作若干重要的新进展。鉴于国际ICF 前沿领域对ICF 快点火研究工作不断加强和深化,而我国在用于快点火的高能拍瓦激光技术方面暂时处于落后状态, 5 本文提出发展我国高能拍瓦(PW,10W)激光器的一些建议,供参考。 关键词:激光惯性约束聚变、快点火、高能拍瓦激光、激光驱动器 一、引言 1960 年激光问世不久,原苏联的巴索夫院士和我国王淦昌院士就分别独立提出了用强激光引发 核聚变反应的原始概念设想。从那时算起,激光核聚变物理研究与高功率激光驱动器技术相互促进, 协调发展,至今已有40 年的历史。 激光ICF 研究发展有三方面的目标。 首先,激光ICF 的长远目标是解决人类干净的能源需求。它的优势之一是激光驱动器可以在空 间布局上与核聚变反应堆分开,这一特点使得将来的电站反应堆工程设计更为简便、合理。 在磁约束聚变能(MFE)方面,世界上一些国家正在酝酿建造国际热核聚变实验反应堆(ITER)。 而在惯性约束聚变能(IFE)方面,正在建造并预计在2008 年全面建成的美国国家点火装置(NIF),总 投入经费将达到35 亿美元。此后10 年左右,即2019 年,美国将选定用哪种技术途径(IFE,还是MFE) 来建造热核聚变示范反应堆。 第二方面,激光惯性约束聚变科学技术发展重要的特点是有中期军事应用。世界上有核国家都 极其重视这方面的研究工作。 第三方面,激光核聚变是目前人类在实验室创造只有恒星内部才能存在的高温、高压、高密度 物质状态的唯一手段。这方面工作的进展已经拓展出一个富有活力的崭新科学研究领域—— “高能 密度物理”,重点是研究高能量密度条件下的特殊物理现象。在这一重要的新研究领域中,人们可以 利用激光产生的类似天体的等离子体,利用实验室已有的诊断手段仔细研究超新星爆发,研究木星 的内核结构。人们可研究流体运动及边界相互作用,可以开展极端条件下的高压物理、凝聚态物理 研究。可以开展高密度等离子体性质的研究,开展其辐射行为的研究,提供非相干辐射探 针。激光产生的高温高密度及等离子体本身就是一个强X 光和粒子辐射源,德国官推再次致歉球迷:我们踢得不像冠军 理应,它在解决若 干重要的基本物理和应用物理问题中可能会发挥相当重要的作用。 二、ICF 聚变物理目标及对激光驱动器的技术需求 1. 激光ICF 的工作模式 最易实现的核聚变反应为: 2 3 4 1 D + T → He (3.5Mev)+ n (14.1Mev) (1) 1 1 2 0 式中D 为氘;T 为氚;He 为氦核,即α粒子;n 为中子。为实现可持续的惯性热核聚变燃烧, 必须满足三个基本条件。 4 第五届全国光子学大会会议论文集 第一分册:特约报告 14 3 1) 劳森判据条件:n τ≥5×10 s/cm i 2) 燃料等离子体温度条件:T 7 h ≥5×10 ok 3) ρr 乘积条件: ρr≥3g/cm2 m 其中 n 为热核燃料离子数密度;τ为惯性维持该数密度的时间间隔;ρ 为被压缩的低温热核 i m 燃料质密度;r 为预压缩到高质密度燃料小球的半径。 上述三个基本条件中劳森判据条件要求驱动激光或由激光转换成的软X 光,以高时间同步精度, 均匀、对称地辐照热核燃料球靶的外包壳层,利用等离子对称外喷所产生的向心驱动压力把核燃料 对称向心压缩到费米简并状态 1/3 左右的数密度。这样,在向心压缩达到压力平衡的惯性迟滞时间 间隔内可满足劳森判据条件。 燃料等离子体高温条件给出了氘氚反应机率的下限,需要驱动器提供额外的用于加温点火燃烧 的激光能量。 最小ρr 乘积条件涉及反应生成的3.5Mev 动能的α粒子在未反应燃料中的有效沉积吸收,是在 初始热核点火后把全部燃料加温到高反应温度,实现自持燃烧的基本条件。从最小ρr 乘积条件可 以推导出一发激光聚变打靶所需DT 燃料最低质量的要求,从而限定了驱动器必需提供的最低激光能 量需求。 2. 激光ICF 的两种靶驱动方式 激光 ICF 靶驱动方式主要有两种,直接驱动和间接驱动。直接驱动方式要求驱动激光在 4 π立 体角内对称、均匀(靶壳表面激光辐照强度涨落≤1%rms)、同步(各束激光时间同步精度≤10ps)辐照 球形靶丸。为了实现燃料的相对低温,高致密度预压缩,驱动器输出的每一束激光脉冲形状需要做 特定高动态范围的精密修整或整形。整形后的各束激光脉冲形状在激光能量高倍率放大后仍必需保 持高水平的相对一致性。这一高难度的技术需求归结为对驱动器的精密化功率平衡指标要求。另外 一条精密化激光定点打靶精度指标(激光在指定靶位置的落点精度≤20 μm rms),进一步控制了各束 激光在靶丸上的正确落点叠加辐照均匀性。这一指标对于直接驱动方式的成功运作也起到十分重要 的作用。 第二种靶驱动方式是间接驱动。在这种运作方式中驱动器全部激光束等分为两大组,分别相对 穿入毫米尺度金园柱空腔靶两端中心的两个小孔中,把激光能量对称沉积在园柱内壁上,以 90%以 上的效率转换成软X 光,用均匀辐照的软X 光驱动置于腔中心的热核燃料靶丸,实现热核燃烧。间 接驱动方式解决了靶的均匀辐照问题,但对驱动激光光束的光学质量(可聚焦能力)、穿孔能力、精 密化激光定点打靶能力和脉冲精密整形都提出了极高的要求。 J.Nuckolls(1972) M.Tabak(1994) a) 体点火 b) 中心点火 c) 快点火 内能E1MJ E=0.039MJ E=0.039MJ m m m EL10MJ Eh=0.12MJ Eh=0.002MJ E ~1MJ E ~0.3-0.4MJ L L 图1 三种热核燃烧点火方式 3. 三种热核燃烧点火方式 激光ICF 研究初期的靶物理方案设计是把劳森判据条件与燃料等离子体高温条件在时间上捆绑 5 第五届全国光子学大会会议论文集 第一分册:特约报告 在一起考虑的,称为体点火方案(见图1a)。体点火只有简单的三个步骤,高密度压缩与高温点火在 惯性迟滞开始的时刻同时实现。这种点火方式对激光驱动器能量需求很高,每一发聚变打靶大约要 消耗10MJ 以上的激光能量。 1972 年,美国劳伦利弗莫尔国家实验室的John.Nuckdls[1,2]提出了中心点火概念,把燃料预压 缩和点火步骤分开实施(见图1b)。按照中心点火设计,当燃料被预压缩到惯性迟滞期的起始时刻时, 由特定激光整形脉冲使此前各时刻激发出不同运动速度的击波恰好同时会聚在被压缩燃料核的中 心,形成中心区局部升温,达到高温条件,引发中心热斑点火燃烧。点燃的热核反应释放出大量3.5Mev 的α粒子,沉积在尚未点燃的其余预压缩燃料层中,使其迅速升温,从而实现全部预压缩燃料的点 火燃烧。 这一新概念大幅度降低了对激光驱动器的能量需求。理论粗估表明[2,3]利用中心点火概念设计, 1~2MJ 的激光能量输入可获得 10-100 倍热核燃烧释放的能量增益。然而,为了实现中心局部区域 温度升至5 千万至 1 亿度,所消耗的激光能量要比燃料预压缩需求的激光能量大约三倍,这是很不 合算的。 1994 年,M.Tabak[5]提出了最新概念,用超强激光产生合适能量的超热电子或质子,使预压缩 燃料边缘的局部区域升温,从而实现燃料点火(见图1c)。按照这一方案设计,用于点火及为有效点 火需要在等离子体冕区打出通道的激光功率很高,但其能量仅为预压缩能量的 1/20 左右[3]。这意味 着,实现激光ICF 增益所需的总激光能量可以下降到中心点火所需能量的约1/4,是非常吸引人的。 然而,快点火设计对激光驱动器技术的发展提出了十分苛刻的新要求。这包括了高能量输出的 (10-100kJ)拍瓦(1015 6 8 W,PW)激光点火驱动器技术的发展;高信噪比(10 -10 )激光点火脉冲技术的实 现;百皮秒级激光打通道技术研究;点火激光脉冲与预压缩激光脉冲的高精度时间同步(10-20ps) 技术的实现等。 2001 年,英国卢瑟福实验室的P.Norreys 与日本大阪大学R.P.Kodama 等合作[5],在日本大阪 大学Gekko-Ⅻ激光装置上利用金锥管导引百TW 点火脉冲从实验上演示了快点火物理原理。2002 年 的实验[6] (见图2)把点火脉冲能量提升至近 1PW,获得超热电子吸收40%,热核燃料区温度8 百万至 1 千万度,中子产额由104 7 增加到10 的好结果。 图2 令人鼓舞的金锥管加CD 壳靶快点火原理示范实验结果 4 7 日本大阪大学2002 年的实验,表明超热电子吸收了40%。中子产额由10 到10 ,增加了三个数 量级。(热核反应区温度800 万-1000 万度) 这两个成功的实验进一步激发了国际 ICF 界研究快点火物理和相关PW 激光技术的热情,增强 了信心。 三、预压缩激光驱动器技术进展 1. 以“国家点火装置”为代表的激光驱动器技术取得了重大突破 80 年代末,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)开始酝酿大型激光 ICF 装置,希望通过中 心点火途径实现高增益热核点火燃烧。这一设想逐步发展成为美国国家点火装置(NIF)工程。NIF 将 耗资34.5 亿美元,于2008 年建成投入运行,是LLNL 有史以来最大的一个建设项目,也是世界上有 6 第五届全国光子学大会会议论文集 第一分册:特约报告 史以来最庞大的系统光学科学工程。NIF 将由192 束通光口径为400mm ×400mm 的192 束激光束组成, 实现总激光输出1.8MJ(脉宽3-10ns),设计聚变增益10-100 倍。NIF 的1/50,即2 束×2 束的一组 激光已于 2002 年底超额完成预定设计指标,并于2003 年投入试运行打靶[7]。表1 给出已达标的每 一单束激光输出的技术参数指标。 表1 NIF 1/50 光束达标的重大进展 输出激光波长 单束输出能量 脉宽 输出能密度 输出功率密度 1053nm(1ω) 26.5kJ (?) 16.6J/cm2 ? 0 525nm(2ω) 11.4kJ (4ns) 7.1J/cm2 1.72GW/cm2 0 351nm(3ω) 10.4kJ (4ns) 6.5J/cm2 1.63GW/cm2 0 NIF 1/50 的进展来之不易,是高功率激光驱动器工程、材料、总体设计水平和环境保障体系的 重大突破。 2003 年NIF 工程归纳出六个方面的重要技术突破,被称为六大奇迹,包括: 1) 用光纤及集成光学系统集成的48 套注入激光前端系统及模块化高洁净度的主放大器单元; 2) 钕玻璃连熔工业化生产大幅度降低了造价; 3) 等离子体电极普克尔盒开关解决了寄生振荡和隔离问题; 4) 大尺寸KDP 快速生长和加工,解决了PEPC 和倍频需求; 5) 39 个单元的可变形反射镜,大幅度提高了驱动器远场激光光学质量; 6) 6 万个光学元件计算机全面监控。 法国预定于2010 年建成与美国NIF 规模相当的激光ICF 点火装置LMJ。LMJ 在工程设计中采取 了若干与NIF 不同的技术路线,但在大的布局方面与NIF 相似。 此外,日本FIREX Ⅱ期,我国神光Ⅲ,俄罗斯都在激光ICF 预压缩领域投入了相当的力量。 在大型或超大型 ICF 高功率激光驱动器发展中各国主要实验室相继走上了大口径激光输出,多 程放大,高效三倍频或二倍频,前端光纤化、集成化、模块化的技术集成发展道路,其光学技术要 求已经十分逼近当代光学研究技术水平的物理极限。 2. 我国神光系列激光驱动器技术水平迅速提升 神光系列装置工程研制基本参数列于表2。 建于 80 年代中期的神光 I 装置把国内尝试性的高功率激光搭建实验平台第一次转变成可以做 ICF 初级单元实验的激光驱动器。而90 年代末,神光Ⅱ的工程研制[8,9]使我国高功率激光驱动器的激 光、光学技术能力和水平实现了质的跨越提升。神光Ⅱ的工作涵盖了高功率激光技术总体和单元的 各个方面。主要有, 1) 获得了高平均激光通量密度的激光驱动器输出能力。神光Ⅱ的工作使我国驱动器激光通量密度 达到国际水平,并从根本上找到了安全提高驱动器总能量或功率输出能力的技术途径,成功解 决了驱动器工作物质严重损坏的问题。 2) 神光Ⅱ的激光品质大幅度提高,标志激光器总体光学质量的可聚焦能力提高十倍以上。激光穿 孔能力大幅度提升,满足了高水平间接驱动物理实验需求。 3) 使我国驱动器开始具备三倍频能力,并实现了三倍频综合技术能力的全面突破。 4) 实现了国际高水平的激光快速瞄准及高精度定点打靶能力。 5) 实现了激光脉冲初步整形和精密化功率平衡的能力。 6) 研制成功我国特有的高难度无开关双程主放大器,并在国际上首次打靶运行成功。 7 第五届全国光子学大会会议论文集 第一分册:特约报告 表2 神光系列装置装置研制基本参数表 神光I 神光Ⅱ 神光Ⅲ原型 神光Ⅲ 装置名称 (SG-I) (SG-Ⅱ) (TIL) (SG-Ⅲ) (关闭,拆解) (正在运行) (尚未建成) (工程尚未正式启动) 1982-1986 2001-2006 2005-2010? 工程建造周期 1995-2001 (1994年关闭) (预计) (工程论证前预估) ¥0.86 亿 ¥3 亿? 20 亿? 工程资金投入 ¥0.2 亿 (包括精密化) (预计) (工程论证前预估) 激光装置终端放大 2512cm2 628cm2 7200cm2 57600cm2 2 器有效通光面积总 (2261cm,扣掉中心黑区后) (2束φ20cm) (8束 30 ×30cm) (64束30×30cm) 和 (8 束φ20cm) 基频运行总能量输 1-1.2kJ (1ns) 6kJ (1ns) 20kJ (1ns) ?160kJ (1ns) 出 2 2 2 2 平均能通量密度 1.9J/cm (工作物 2.4-2.7J/cm 2.7J/cm (预计) 2.7J/cm (预估) (1ns脉宽) 质有破坏) (工作物质无破坏) (1ns) (1ns) 三倍频运行总能及 3kJ(1ns) 9.6kJ(1ns) 78kJ(1ns) 输出能通量密度 —— 1.2-1.33J/cm2 1.33J/cm2 1.33J/cm2 (预估) (1ns脉宽) (等效值) (预计) ?200kJ(3ns) 10DL 70% 3DL,70%Etotal 可聚焦功率 8DL,95%Etotal 10DL,95% Etotal 10DL,95% Etotal 目前神光Ⅱ正在以我国激光 ICF 历史上从未有过的高效率稳定运行,在我国激光聚变物理、X 光激光、物质材料特性等重大基础研究领域不断做出标志性的实验成果,做出重要的实质性的贡献。 神光Ⅲ原型及神光Ⅲ主机驱动器装置将是在神光Ⅱ高质量激光驱动器及国际最先进激光驱动器 工作思路基础上模块化、全光纤前端、全固化、全集成化的更大国家级系统科学工程。它将成为我 国激光ICF 聚变点火工程中极为重要的基础设施。 四、PW 快点火激光驱动器研究是当今国际激光ICF 领域前沿工作的热点 1. 用于快点火的PW 激光技术和装置的发展 1995 年7 月,美国利弗莫尔实验室利用NOVA 激光驱动器的 1 束做啁啾脉冲放大,在世界上首 次研制成功拍瓦(1015W)激光装置。装置工作在1.053 μm 激光波长,输出630J (480fs 脉宽),达到总 输出功率1.3PW。此后日本大阪大学和英国卢瑟福·阿普尔顿实验室在美国LLNL 支持下分别于2001 年和2003 年建成了各自的PW 激光装置并立即投入实验打靶运行,取得了有重要意义的物理实验结 果。 2002 年日本PW 激光装置投入运行并取得快点火原理演示实验成功后[5],日本和美国ICF 界不失 时机地启动了大阪大学FIREX 和罗彻斯特大学的EP 点火驱动器计划。这两个计划分别投入五千五百 万美元和七千八百万美元,开始竞相进入快点火技术途径的实质性研究发展阶段。表 3 列出了这两 项计划发展的轮廓。 2. 发展高能PW 激光驱动器技术面临的巨大挑战 PW 激光不仅是激光ICF 快点火的最重要手段,而且对高增益、高能密度物理、天体物理和战 略核安全研究本身都有重要意义。但技术难度很高,包括高能PW 激光对光学、激光领域中超大规模 的激光啁啾脉冲放大和压缩技术、超高精度激光定点打靶能力、PW 光束间高精度时间同步和 表3 大阪大学FIREX 和罗彻斯特EP 点火驱动器参数 8 第五届全国光子学大会会议论文集 第一分册:特约报告 单 位 高能拍瓦装置名称 总经费投入 能量 脉冲整型 信噪比 焦斑尺寸 四束光同步 FIREX(2002 年启动 1-20ps(上升时 20-30 μm 直 大阪(ILE) -2006 年) $55M 10kJ/4 束 间1-2ps) 10-8 径(FWHM) 0.1ps( λ/5) 罗彻斯特 EP(2003 启动-2009 $78M 10-20kJ 几十ps —— —— —— 年) (LLE) λ/5 精度的相位同步要求及测试技术、预压缩激光与PW 点火束的皮秒级高精度时间同步调控技术、 特大口径高衍射效率、高破坏阈值压缩光栅制做技术等。还需要发展宽带预放大器,包括多级OPCPA 技术;发展高增益助推放大器技术以严格控制放大器B 积分总量;需要研制直径 1 米左右的超大光 学隔离器。这些苛刻的高技术要求使激光ICF 驱动器总体和单元技术再次面临巨大的挑战和考验。 3. 对加速我国PW 激光驱动器发展的一些粗浅想法 1) 我国近年来已有6 个单位购买或研制了由1TW 至~100TW 级的超短脉冲激光器。其中,除高功 率激光物理实验室的16J,20TW 装置外,多数是低能量输出超短脉冲激光装置,可用于研究强 场物理,但不易直接发展为ICF 激光快点火驱动器。需要国家把国内有限的力量凝聚在一起, 设立专项,分头解决各项高难度技术关键,集中力量研制我国自己的PW 激光器,用于激光ICF 快点火。 2) 此外,有关技术途径的分析、研究不够。而这一点对于明确点火驱动器的技术发展思路有重要 意义。目前日、英提出和实施了金锥管导向技术路线],美国人则讨论较多的是用 100ps 脉 冲打通道后再引入高能PW 激光脉冲[10]。金锥管技术路线在制靶和瞄准技术方面非常复杂,而 打通道技术路线又存在长、中、短三种脉冲激光时间同步,空间瞄准的复杂技术难题。我们可 否尝试利用PW 激光时间脉冲整形的方法(通过光谱整形实现),在PW 激光脉冲之前人为加一个 大约 5-10%的预激光台阶,利用有质动力构建自聚焦细丝通道,从而把PW 脉冲引导到已构建 的细丝通道底部,激发用于点火的快电子群?实际上当前不少超短脉冲相互作用实验都揭示 出,预激光脉冲对于更热的超热电子形成是有益的。而且预激光平台的构建在一定程度上降低 了对PW 激光苛刻的信噪比需求,减轻了PW 激光的技术发展难度。 3) 在大口径压缩光栅研制方面,国家863-804 主题已经做了重要布署。希望进一步加大人力、物 力支持力度尽快解决相关技术问题,为我国发展几十kJ 的快点火PW 激光驱动器奠定坚实的技 术基础。 五、结论 我国近年来在激光聚变驱动器研究科学技术及工程领域取得了重大进展,大大加速了我国 ICF/IFE 重大基础物理领域的工作。 PW 激光驱动器引发的快点火物理研究特别是聚变燃料区内热斑性质的研究是当前惯性约束聚变 研究的热点。国内对这项工作已开始布署。点火驱动器的工程研制及相关技术(例如大口径压缩光栅) 必需加速。 “高能密度物理”对驱动器发展提出了新要求。需要引起激光、光学领域科研工作者的重视。 参考文献: [1] J.Nuckolls, L.wood, et al., “Laser compression of matter to super-high density:thermal nuclear (CTR) application”, Nature 239, 139(1972) [2] J.D.Lindl, Inertial Confinement Fusion, Springer-Verlag New York, Inc., (1998) [3] 朱少平,“对快点火研究的认识和初步看法”,内部工作报告(2003) 9 第五届全国光子学大会会议论文集 第一分册:特约报告 [4] M.Tabak et al., “Ignition and high gain with ultra-powerful lasers”, Phys. Plasmas 11, 1626(1994) [5] R.P. Kodama, P.Norreys, K.Mima, et al., “Fast heatig of ultra-high-density plasma as a step towards laser fusion ignition” Nature 412, 798(2001) [6] K.A. Tanaka, R.Kodama, et al., “Basic and integrated studies for fast ignition”Phys. Plasmas, 10 1925-1930(2003) [7] George Miller, “The national ignition facility comes to life”, UCRL-5200-03-9/Sep.5, (2003) [8] Zunqi Lin, Ximing Deng, et al., “SG- Ⅱ laser elementary research and Precision SG- Ⅱ program” Fusion Engineering and Design 44, 61-66(1999) [9] Lin Zunqi, Wang Shiji, et al. “SG- Ⅱ laser facility improvement and its precision progress” Chinese Journal of Lasers, Vol.B10, Supplement, Ⅳ6-Ⅳ16(2001) [10] M.H. Key, et al., “Fast ignition: Physics progress in the US fusion energy program and prospects for achiving ignition, UCRL-JC-14370(2002) 10

北大医疗鲁中医院 发财树之家 中国文化网 上海硕博公司 华恒生物官网 武汉未来科技城 百度
联系我们

400-500-8888

公司服务热线

澳门百家乐官方网站