激光核聚变drc
现代光学研讨
激光惯性约束核聚变受控核聚变的意义：核能的安全使用是缓解能源危机的有效途径。
相对于核裂变，核聚变具有无放射性，单位质量提供的能量多等优点，而且地球上核聚变物质储量远远多于核裂变物质储量。
核聚变物质主要是氘氚，每吨海水里含有40 克氘和0.1 克氚。
地球的海水量有10 亿Km3 ，仅表层海水就可供应人类使用几千年。
因此，核聚变能被看作是解决能源危机的希望之所在，另外，核聚变的实验研究还可为核聚变能源的安全利用和实验室条件下的核试验建立数据库，具有重大的国防价值。
实现受控核聚变成为广大科学工作者孜孜不倦努力的目标。
受控核聚变：要实现受控核聚变，必须满足两个基本条件，一是必须将燃料加热到很高的热核反应温度；二是，必须在足够时间长时间内将高温高密度等离子体约束在一起。
Lawson 判据限定了实现核聚变的具体条件，即受约束的等离子体必须达到一定的密度n 、温度T 及约束时间τ。
对氘氚反应，)/(109.3311mm s n ⨯≥τ，T 约为K 810。
有两种方法，实现受控核聚变。
一是磁约束聚变（Magnectic Confinement Fusion ，MCF ），就是利用磁场将带电离子约束住，使之发生聚变的反应。
二是激光驱动惯性约束聚变，就是基于氢弹原理，即利用高能激光驱动器在极短时间将巨变燃料小球（靶丸）加热、压缩到高温、高密度，使之在中心“点火”，点燃后继核反应实现受控核聚变，从而获得干净聚变能源。
聚变过程可分为四个阶段：一、强激光束快速加热氘氚靶丸表面，形成等离子体烧蚀层；二、驱动器的能量以激光或X 光形式迅速传递给烧蚀体，使之加热并迅速膨胀；当壳体外部向外扩张时，根据动量守恒定理，剩余部分则向中心挤压，反向压缩燃料；三、向心聚爆将靶丸压缩至一定程度，使氘氚燃料达到高温、高密度状态，在靶丸中心形成热点；四、热核燃烧在被压缩的燃料内部蔓延，使主体燃料发生聚变反应，产生数倍的能量增益，从而产生大量的聚变能输出。
可控核聚变——“无限的能源”梦想
Sci-Tech Expo科技博览可控核聚变——“无限的能源”梦想文 王握文 任永存 李杭2022年年初，英国原子能研究所发布消息称，在最近一次核聚变发电实验中，欧洲联合核聚变实验装置（J E T）在5秒内产生了59兆焦耳的持续能量，打破了这一装置在1997年创造的4秒内产生约22兆焦耳这一纪录，创造了可控核聚变能量新的世界纪录。
所谓可控核聚变，是指在一定条件下控制核聚变的速度和规模，能实现安全、持续、平稳能量输出的核聚变反应。
在能源需求量日益增加、能源短缺日趋严重的今天，可控核聚变凭借原料充足、安全可靠、无污染等优势，被科学家视为解决人类能源问题的“光明大道”。
59兆焦耳，可以满足一个普通家庭一天的电力需求。
此次J E T创造的世界纪录，让很多科学家确信，人类获得这一“无限的能源”是可能的、可行的。
利用核聚变，难就难在“可控”二字提起工业社会你会想到什么？滚滚蒸汽，堆积如山的煤炭，还有喷涌而出的石油……自进入工业社会以来，以化石燃料为核心的能源不断应用于人们的生产生活，助推着工业文明发展和科学技术进步。
即使在技术高度发达的今天，人们依然对煤炭、石油、天然气等传统能源保持着相当大的依赖。
然而，随着人类需求的不断扩大，传统能源的储量正在不可逆转地减少，其造成的污染更是对人类健康与生存造成严重影响。
寻找无限的清洁能源一直是科学家努力探索与追求的目标。
1942年12月，以美籍意大利著名物理学家恩利克·费米为首的一批科学家，根据核裂变原理，在美国建成了世界上第一座人工核反应堆，为人类打开了原子世界的大门。
研究表明，1克铀-235充分核裂变后，释放出来的能量相当于2.8吨标准煤燃烧释放的能量。
这激起了世界各国利用核裂变发电的热情。
然而，这种方式存在很大局限。
一方面，核裂变反应所需的裂变燃料在地球上储量有限；另一方面，核裂变产生的核废料具有长期放射性，一旦处理不当，会给人类及环境造成长久而巨大的影响。
激光惯性约束聚变的基本原理和点火装置
激光惯性约束聚变的基本原理和点火装置中国工程物理研究院激光聚变研究中心粟敬钦1激光惯性约束聚变基本原理聚变反应是指由较轻原子核聚合生成较重原子核，并伴随着能量释放的过程。
根据爱因斯坦的质能关系，聚变放能的实质是把质量转换为能量。
聚变反应要求原子核有足够的动能克服静电排斥力。
聚变点火，是指当聚变放能大于驱动能量，热核系统温度自持地急剧上升并引发急剧放能的现象。
所谓燃烧，是热核系统点火后维持高温并持续放能的现象。
热核系统只有充分燃烧，才能获得高能量增益。
聚变反应能释放巨大的能量，实现可控的聚变反应是人类未来能源的希望。
聚变点火和燃烧必须在高温和高压下才能实现，而且要维持足够长的时间。
自然界中这样的热核反应只在恒星内部，由于恒星巨大的质量，通过万有引力约束高温高压等离子体，使聚变反应持续地进行下去。
在地球上要创造聚变的条件，主要采用磁约束聚变和惯性约束聚变两种不同途径。
惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，以下简称ICF）是利用激光或激光产生的X射线作驱动源，均匀地加热装填氘氚(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面，形成高温高压等离子体并向外喷射，产生反冲压力，快速地向内压缩靶丸未加热的部分，使DT主燃料层密度达到每立方厘米几百克质量，并在DT燃料芯部形成高温高密度热斑，点燃聚变反应。
燃烧从中心向外迅速地在被压缩的主燃料层中传播，靶丸自身的惯性约束高温高密度燃烧需要足够长的时间，进行充分的燃烧后，放出大量聚变能，获得能量增益。
这就是ICF的中心点火的概念，可以归纳为四个阶段：靶丸加热、内爆压缩、聚变点火及聚变燃烧，如图1所示。
图1 惯性约束核聚变各阶段示意图1960年激光器问世不久，前苏联的科学家Basov和我国科学家王淦昌等就各自独立提出利用激光实现实验室聚变反应的建议。
自二十世纪七十年代初，随着激光技术的进步，ICF研究取得了实质性进展，正在向点火目标迈进。
美国美国劳伦斯里弗摩尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）于2014 年完成了高熵压缩的内爆实验，氘氚聚变中子产额接近1016，首次在实验室内实现了α 粒子自加热，核反应放能超过了聚变燃料的吸能，标志着聚变点火研究首次走到了“悬崖”底下。
激光核聚变与高功率激光_历史与进展讲解
激光发明50周年专题激光核聚变与高功率激光:历史与进展范滇元1, -张小民2(1 中国科学院上海光学精密机械研究所上海 201800(2 中国工程物理研究院绵阳 621900摘要回顾激光聚变近50年来的发展历程, 评述聚变物理与高功率激光驱动器的研究进展, 展望聚变能源未来前景.关键词激光核聚变, 高功率激光, 聚变点火, 惯性约束聚变Laser fusion and high power laser:history and progressFAN Dian 2Yuan1, -ZHANG Xiao 2Min2(1 Shan g h ai I n stitute of Op tics and Fin e M echan ics, Chines e Academ y o f Scien ces, Shanghai 201800, Chin a(2 China Academy o f Engin eering Phys ics, Mianyan g 621900, C hin aAbstract We briefly review the development of laser fusion and high power lasers over the past 50years, and look at the future prospects of inertial fusion energy.Keywords lase r fusion, high power laser ignition, inertial confine ment fusion (ICF20世纪60年代初, 我国激光核聚变研究刚刚起步的时候, 钱学森院士就形象地指出:你们的事业是在地球上人造一个小太阳!太阳的巨大能量来源于/聚变反应0:即两个氘核在高温高压下聚合成一个氦核并释放出携带动能的中子. 人造小太阳, 就是要在地球上实现类似的聚变反应. 氢弹的爆炸是人为聚变成功的例证, 但它是破坏性的. 如果能在可控条件下有序地释放聚变能, 则可以像太阳那样提供几乎取之不尽的能源. 这正是/激光核聚变0研究的内容和目标. 经过近半个世纪的努力探索, 伴随着高功率激光技术的长足发展, 激光聚变研究取得重大进展, /聚变点火0的曙光已经显现. 聚变能源的前景虽还遥远但是可望.提出了被誉为/改变世界0[1]的著名方程式质能方程:E =mc .40年后实验证实:重原子核裂变后因质量亏损而释放出内能. 由此导致了原子弹爆炸和核电站开发. 以后又发现了轻原子聚变后释放能量的威力更为强大. 典型例子是氘与氚核聚合成氦原子, 并释放17. 6MeV 的中子:1D+T y He 42+n 0+17. 6MeV , 2聚变反应后的产物(氦+中子总质量小于反应前的(氘+氚质量, 亏损的质量转化为17. 6M eV 能量释放出来. 聚变反应与质量亏损如图1所示.一对核发生聚合释放的能量虽然有限, 数量非常多的核发生聚合时就能释放巨大的能量. 地球上氘的含量极为丰富, 蕴含的的能量几乎取之不竭:1kg 氘蕴含3.5@10J 能量, 1L 水含0. 03g 氘, 全球总水量约138. 6亿亿m 3, 蕴含聚变能11.47@1031J, 目前全世界年消耗能量约1. 22@1021J. 由此可以推论:聚变能源*国家高技术研究发展计划(批准号:2008AA8041740, 2009AA8042005 资助项目2010-08-13收到-通讯联系人. Email :fandy@141 开发聚变能源的物理基础1. 1 爱因斯坦质能方程式奠定了开发核能的基础1905年9月, 爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第二篇论文:5物体的惯性是否决定于内能6. 在这篇三页纸的短文中, 他揭示了惯性质量与内能的内在联系,物理(年 9期 P P wuli. #589#激光发明50周年专题激光的发明和发展, 催生了激光聚变新领域. 激光的高亮度, 特别是可在空间和时间上高度集中的能力, 激发了创新思想的形成. 1963年, 前苏联列别捷夫物理所(LPI N. G. Basov 和O. N. Krokhin 提图1 聚变反应与质量亏损出了激光核聚变的基本概念; 1964年, John Daw 2son 独立提出类似观点[3]. 同期, 我国著名核物理学家王淦昌院士也独立地提出了用激光照射氘氚材料产生中子的倡议, 在题为5利用大能量大功率的光激射器产生中子的建议6的一文中指出:/, , 目前国内外, 都在研究和制造可以产生大能量和大功率的光激射器(即莱塞. 我们认为, 若能使这种光能激射器与原子核物理结合起来, 发展前途必相当大; 其中比较简单易行的就是使光激射器与含氘的物质发生作用, 使之产生中子, , 0. 科学家的远见卓识, 开拓了极具生命力的新领域, 激光聚变研究在世界范围内兴起, 40多年来, 取得了长足发展.2. 1 高功率激光照射含氘材料产生中子激光聚变原理的初步验证1968年, 前苏联科学家巴索夫用皮秒脉宽的激光照射LiD 靶, 首次观察到了中子输出. 此后, 美国、法国、西德、日本、意大利等国相继报道了发射中子的实验结果. 1973年, 中国科学院上海光学精密机械研究所在万兆瓦钕玻璃激光装置上, 也获得了103产额的中子, 1974年, 激光功率和中子产额又都提高了一个量级.这一阶段的成果表明, 聚焦的高功率激光能够产生必需的高温, 并引发聚变反应, 初步验证了激光聚变的原理可行性.2. 2 多束高功率激光驱动的内爆压缩理论和技术的突破1972年, 美国劳伦斯#利弗莫尔国家实验室(LLNL 的Nuckolls 等人提出了利用强激光束对充有氘、氚气体的微球靶进行内爆压缩, 从而实现有效热核燃烧的概念, 并从理论上预言了基于这一概念实现聚变所需激光能量. 这一结果指明了激光聚变研究的方向和技术途径, 具有里程碑的意义. 图2所示为ICF 基本概念示意图.在图2中, 聚变靶丸是一个充填有氘、氚气体的薄壳玻璃球, 球壳壁厚为微米(L m 量级, 球直径约100L m 左右. 激光或其他驱动源从四面八方均匀地照射靶球, 依次发生以下物理过程:(1 激光辐照加热:激光(或离子束, 或X 射线辐射均匀照射靶丸, 快速加热表面;[5][4][2]可供人类享用100多亿年! 瀚浩的大海蕴藏着无尽的生机, 有待我们用知识和技术去开发.1. 2 近乎完美的能源, 超乎想象的难度为了实现持续的聚变反应, 需要的条件极为苛刻. 首先, 要有1亿度左右的高温. /高温0意味着原子核处于高速运动状态, 而只有高速运动才能克服原子核之间强大的斥力, 使之相互接近并聚合. 高温是产生聚变的必要条件, 但并不充分, 还需要有足够的反应几率. 这就要求参与反应的粒子密度足够高, 并能持续作用一定时间, 即/n S 0值要达到10s/cm 以上. 这是英国科学家劳逊提出的判据, 称之为/劳逊判据0或/劳逊条件0, 为聚变研究指明了方向.但是要实现/劳逊条件0是十分困难的. 不仅达到所需的高温和/n S 0值本身难度很大, 而且这两个条件又相互制约:当温度足够高时, 任何物质都变成等离子体, 高温下要急剧膨胀, 使/n S 0值大幅下降, 而且温度本身也随膨胀而降低. 所以还必需设法把高温等离子体/约束0住. 在太阳上, 是靠巨大质量产生的万有引力, 把热核燃烧的火球箍束住, 称之为/重力约束聚变0. 在地球上, 用什么办法可以把上亿度高温的等离子体约束住呢? 上世纪50年代, 提出了/磁约束0原理, 即利用强磁场对带电粒子的洛伦兹力, 把等离子体限定在一个有限的范围内, 这就是/磁约束聚变0(MCF. 上世纪60年代激光出现后, 又提出了另一种称为/惯性约束0的新思路, 即利用激光功率高、脉冲短的优势, 可以在等离子体还没有来得及飞散之前, 即行完成加热、聚合、燃烧等全过程聚变反应. 由于这种/约束0是利用等离子体膨胀, 需要一定的时间来克服惯性而实现的, 所以称之为/惯性约束聚变0(iner 2tial confinement fusion, 简称ICF . 虽然避开了长时间箍束高温等离子体的难题, 但也付出了高昂的代价:为达到劳逊条件的/n S 0值, 必须大幅度提高粒子密度(达到1023/cm 3量级, 约为铅密度的20倍 , 难点从/约束0转移到了/压缩0, 技术难度也很大.1432 高功率激光促进了惯性约束聚变(激光聚变的创立和发展#590#p:P P ac. 物理卷(2010 9激光发明50周年专题图2 惯性约束聚变(ICF 基本概念示意图(2 内爆压缩:靶丸表面物质向外喷射, 形成的反冲压力将靶丸向心压缩. 反冲推力可达到航天飞机的100倍;(3 聚变点火:靶心燃料被压缩到20倍铅密度, 并在108度(1亿度高温下点火;(4 聚变燃烧:发生热核燃烧并迅速扩展到所有燃料, 从而释放核能, 并且释放的核能大于输入的激光能量.有两种主要的驱动方式具体实现上述聚变过程:(1 直接驱动:激光束直接照射氘、氚靶丸. 这种方式有较高的效率, 但是为了达到高倍的压缩, 要求驱动光束在靶球的4P 立体角方向上十分均匀地照射靶面, 均方差要小于1% 2%, 这在技术上是极其困难的.(2 间接驱动:为了避开这一难点, 提出了另一种称之为/间接驱动0的驱动方式, 如图3如示.丸的均匀性, 有利于实现对称性好的高倍压缩. 依据前述物理模型和思路, 各国开展了多束高功率激光驱动内爆压缩的理论和技术研究, 取得了重要进展. 1974年, KMS 聚变公司用两束近乎正交的激光照射含氘、氦混合气体的玻璃球壳靶, 获得了3@105个的中子产额和50 100倍的体压缩, 这是当时国际ICF 研究的一项标志性成果. 美国利弗莫尔国家实验室, 从1975年开始, 先后建造了六代固体激光驱动器, 输出功率提高了近5个量级(见图4 , 在内爆动力学、流体力学不稳定性和辐射输运等方面取得了一系列重要靶物理成果. 美国、英国、法国和日本已建造的高功率激光装置见表1(表1中1X 是指激光装置输出的激光波长是基频光(1. 053L m , 3X 表示激光是三倍频光(0.351L m .表1 国际上已建造的主要高功率激光装置激光装置GEKKO-XII PH EBUS VU LCAN HE LEN NOVA OMEGA Beamlet国家及实验室日本大阪大学法国里梅尔实验室英国卢瑟福实验室英国原子武器中心美国利弗莫尔实验室美国利彻斯特大学美国利弗莫尔实验室输出能量15kJ /3X 10kJ /3X 2kJ/3X 1kJ/1X 40kJ /3X 30kJ /3X 6. 4kJ/3X束数12281106011984199519941983[6]图3 间接驱动示意日本大阪大学建造了/激光2120装置, 法国、中国等同类实验室也都进行了一系列卓有成效的激光聚变研究, 在内爆压缩、辐射温度、热核中子产额等各个环节上都取得了显著进展, 特别是劳逊判据所要求的温度和/n S 0均分别达到, 但尚未同时达到. 聚变输出能量还小于注入激光能量, 离演示聚变点火#591#把氘氚靶丸放在一个高Z 材料(例如金箔制成的圆柱形腔体中, 激光束通过圆柱两端的小孔, 照射到腔体的内侧壁. 高Z 材料在激光辐照下产生强X 射线辐射, 再由X 射线替代原先的激光, 照射和加热氘、氚靶丸. 这种驱动方式可以明显改善辐照靶物理(年 9期 P P wuli.激光发明50周年专题图4 利弗莫尔国家实验室(LLNL 建造的一系列高功率激光驱动器还有相当距离.2. 3 /聚变点火0曙光初现激光聚变的科学可行性验证究竟需要多大驱动能量才能达到点火和能量增益呢? 这是国际激光聚变科技界长期关注的问题. 1985年至1988年间, 美国实施/百人队长0计划, 利用地下核爆辐射的X 射线作为驱动源, 辐照氘、氚靶丸, 进行了一系列间接驱动型的小囊试验, 成功地实现了具有10 100倍能量增益的聚变反应, 而且实验结果和LASNEX 程序计算相符, 证实了惯性约束聚变的科学可行性, 也明确了需要有百万焦耳级的驱动能量才能满足点火要求. 这一结果公布后, 结束了关于ICF 科学可行性不同意见的争论,极大地推进了国际ICF 研究. 1989年, 主要国家的科学家聚会西班牙, 发表了著名的/马德里宣言0, 号召全世界科学家合作, 向点火目标前进. 为此, 许多研究机构制定了建造大型高功率激光装置的计划, 如表2所示.表2 美国和法国制定的建造高功率激光装置计划装置名称NIF M LJ国家及实验室美国利弗莫尔法国核武器所能量/波长1. 8MJ/3X 1. 8MJ/3X束数19224020092012[7]光能量; 2009年3月宣布全部建成, 全面进入聚变点火实验阶段; 计划在2010 2011开始低能量、低增益聚变实验. 可以预期, 近年内激光聚变点火将会实现, 并进一步向高增益发展. 聚变能源的工程演示试验也已提到日程上来了, 欧洲、美国先后制定了以聚变能源为目标的发展规划 H iPER 计划和LIFE 计划.3 三代高功率激光驱动器及其特色激光聚变的发展史, 是一部聚变物理与激光技术互为依存、互相促进的发展史. 物理实验对激光驱动器不断提出更新、更高的要求, 强力地牵引了高功率激光系统的发展. 另一方面, 高功率激光技术自身的发展提高, 不仅满足了物理实验当前的需要, 还为未来的创新发展创造了条件. 激光聚变研究40多年, 带动了钕玻璃激光器三次升级换代, 各具鲜明的特色, 已成为目前世界上规模最大的光学工程之一, 也是目前世界上实验室内产生高温、高压、高密度极端物理条件的唯一手段. 3. 1 高功率激光驱动器的特点高功率激光驱动器的共同特点可归纳如下:(1 总体规模大:国内外正在建设的高功率激光装置占地面积往往接近或超过一座标准足球场, 将使用数千套激光单元组件或模块, 数千件大口径优质光学元件, 数万个传感器或控制单元, 并要求较苛刻的实验室环境条件(如温度、湿度、洁净度、隔微振等 ,最为引人瞩目的是美国国家点火装置(Nation 2al Ignition Facility, 简称NIF 的研制与建设(如图5所示 . 经十多年努力, 2002年12月, NIF 实现了4束激光首次出光的阶段目标, 全面验证了科学技术与工程设计; 2006年12月, NIF 实现了48束激光输出达标的阶段目标, 首次获得了高达1MJ/X 的激#592#p:P P ac. 物理卷(2010 9激光发明50周年专题40余年以来, 针对不同阶段的科学目标以及对应的研究基础, 总体上把高功率激光驱动器的研制划分为以下三代:3. 2. 1 第一代驱动器它是以研究聚变点火相关条件, 深化聚变物理研究为主要牵引目标的高功率激光驱动器. 最基本的技术特征是采用/主振荡器+功率放大(MOPA 0技术路线, 系统结构具有单口径、分离式等基本特征, 能量转换效率较低(远低于1%. 这代高功率激光驱动器中, 最具代表性的是LLN L 于1984年建成的Nova 装置[8, 9]. 我国的神光I 、神光II 等也是这一类型的.3. 2. 2 第二代驱动器它是以实现实验室条件下的聚变点火为主要牵引目标的高功率激光驱动器, 主要设计目标为输出能量大于1MJ. 其主要技术特征为采用组合式口径、多程放大技术、模块化结构, 以及较高的运行通量, 在确保较高控制精度的前提下, 追求较高的性能价格比. 第二代驱动器的代表装置是美国国家点火装置(Na 2tional Ignition Facility, 简称NIF 属此类驱动器.图5 美国国家点火装置(NIF 及点火实验计划(图中T r 为辐射温度[10]. 我国神光Ó装置3. 2. 3 第三代驱动器它是以建立聚变能演示驱动器, 完成聚变能商业演示为主要牵引目标的高功率激光驱动器, 主要设计目标为10H z 重复运行频率, 高于10%的能量转换效率, 输出脉冲能量大于10MJ 等. 其主要技术特征为高效率、高光束质量、高可靠性和重频运行, 所谓/三高一重0.是迄今为止国际上最大的综合性激光科学工程. (2 指标精度高:作为高精度的科学实验装置, 主要体现在以下若干方面, 即:主要光学元件的技术指标要求接近光学加工极限(如大口径光学元件的面形精度要求达到三分之一激光波长以上 ; 大口径强激光束的光束质量要求接近物理极限(如光束发散角要求小于10倍衍射极限 ; 强光束的角漂移与准直控制要求小于1 2, 以满足物理实验对高精度靶瞄准定位的基本要求; 装置运行激光通量接近部分光学元件的极限负载能力.(3 负载强度高:为了提高装置总体能量转换效率, 降低造价, 要求持续提高装置的运行通量, 即工作负载, 要求较大幅度地提高关键光学元件的损伤阈值, 发展并采用了一系列先进技术, 提高强激光束的总体光束质量, 改善系统光束的传输条件.(4 专业涉及面广:高功率激光驱动器的建设涉及强激光技术、光学工程、脉冲功率技术、超快光电技术、自动控制、环境工程、精密机械、超精密光学加工工艺、精密光学检测等多门学科或专业, 是一项综合性极强的大型科学工程.3. 2 三代高功率激光驱动器的技术特征""4 我国高功率激光器的发展历程4. 1 创立聚变研究基础, 研制发展第一代激光驱动器在此期间, 研制和运行的主要激光装置有5台, 如图6所示.1973年, 中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称中科院上海光机所研制成功我国第一台输出40J/4ns 的单路万兆瓦钕玻璃激光驱动器; 次年又将该装置升级至10W, 首次利用该装置照射冰氘靶产生了中子.1978年, 完成了六路激光装置的研制, 每路输出25J, 为初步开展ICF 研究提供了必需的条件.1985年, 中国工程物理研究院研制一台输出功率为1011W 的激光装置(后命名为星光-I 激光装置 , 安装于四川绵阳. 上世纪90年代升级为#593#11物理(年 9期 P P wuli.激光发明 50 周年专题星光- Ò 装置, 在 1ns 脉冲宽度条件下, 三倍频输出能量达到 130J, 成为当时我国唯一适用于 ICF 实验研究的高功率紫外光激光装置. 1986 年, 中科院上海光机所建成神光- Ñ 激光装置, 规模和性能与美国利弗莫尔实验室的Ar gus 装置相当, 标志着我国基本上掌握了第一代高功率激光驱动器的关键技术, 达到国际先进水平. 1987 年验收后, 成为我国第一台可以用于进行 ICF 实验研究的高功率激光装置. 2001 年, 建成了神光- Ò激光装置, 该装置输出功率较神光- I 提高了约 4 倍, 8 路输出, 且具有 3 倍频打靶能力, 使我国 ICF 实验研究迈上了一个新台阶. 至此, 我国在第一代驱动器上全面达到了国际先 # 594 # htt p:P Pwww. wuli. ac. cn 进水平, 并在若干关键技术有自主创新成果. 例如, 在国际上首次应用的自适应光学波前校正技术, 两轮三通道多程放大器, 零同步光电导开关等. 在王淦昌、王大衍两位先辈指导下, 中国科学院上海光机所邓锡铭、余文炎、胡绍衣等科学家为中国高功率激光驱动器科学技术与工程的发展做出了卓有成效的贡献, 为神光系列装置以及点火装置的研制奠定了坚实的基础. 4. 2 以聚变点火为牵引目标, 研制和发展第二代驱动器按照/ 三个台阶三步走0 的规划, 发展第二代驱动器, 如图 7 所示. 在神光 I 和 II 的基础上, 第一步是研制万焦耳量级的神光- Ó 原型装置, 主要目标物理 # 39 卷 ( 2010 年 9 期激光发明 50 周年专题是研究并解决新一代高功率激光驱动器主要科学技术问题; 第二步是建造 10 万焦耳量级的神光- Ó 主机装置, 以全面掌握新一代高功率激光驱动器科学技术问题和主要的工程问题; 第三步是建造 100 万焦耳量级的点火装置, 构筑开展聚变点火物理实验的研究平台, 实现实验室条件下聚变点火的总体目标. 2007 年, 建成了第一步规划的神光 III 原型装置, 并通过国家验收. 原型装置是一台 8 束 300mm 口径光束、万焦耳量级、三倍频激光输出的新一代激光驱动器. 研究并掌握了以/ 方形光束+ 组合口径+ 多程放大技术0为主要标志的第二代高功率激光驱动器总体技术路线. 装置采用非对称变口径光传输、优化组合四程放大、液晶光阀光束空间整形、光束旋转隔离与像差补偿等关键技术, 使我国成为国际上少数几个具有这种综合技术能力的国家; 同时, 也为制定与设计神光- Ó 主机装置总体技术方案奠定了坚实的基础. 求, 探索与发展若干创新性技术, 分别在时域、空域或频域实现对高功率激光脉冲的振幅( 强度、位相和偏振的主动控制, 即发展强激光脉冲全域控制理论和技术; 其次, 根据高能量密度物理实验的相关要求, 研究与发展/ 干净0光束或/ 干净0 脉冲的基本概念与技术. ( 3 高峰值功率: 基于啁啾脉冲放大技术或参量放大技术, 研究发展超高峰值功率激光技术, 将激光脉冲峰值功率由目前拍瓦量级推向艾瓦( EW 量级 ( 1EW= 1018 W . ( 4 高可靠性: 加强系统关键技术与工程化研究, 提升装置长寿命、皮实性、模块化、标准化, 使未来装置或系统由/ 专家0系统向/ 傻瓜0系统发展. ( 5 复合工作体制: 即由现有装置的单一工作体制, 发展为多运行体制、多脉宽体制、多波长体制等系统. 多运行体制是由单脉冲运行体制向单脉冲、脉冲串、低重复频率等运行体制发展; 多脉宽体制是由单一脉宽输出体制向纳秒、秒、皮飞秒脉冲同时 / 零抖动0输出体制发展( 即 F PN 兼容体制 ; 多波长体制是由单一波长输出体制向多波长脉冲同时输出体制发展. 为发展第三代激光驱动器, 需要在以下几个方图8 神光 III 原型装置激光系统与靶室面开展创新性的研究工作: ( 1 持续开展高功率激光传输放大的基础理论研究, 将传统的以窄带脉冲产生、传输、放大、倍频和控制为基础的理论体系, 逐步研究并构建成为以宽带激光脉冲产生、传输、放大倍频和控制为基础的理论体系, 为研究与完善高功率激光驱动器新的总体技术路线奠定坚实的理论基础. ( 2 研究、逐步完善具有总体创新性意义的基于宽带脉冲传输放大理论的 H i- FPN 总体技术路线, 以便适应未来H EDS 研究多样性、灵活性和不确定性对未来高功率激光驱动器的基本要求. ( 3 研究与发展新的激光与光学材料, 包括新型激光介质材料( 激活粒子、激光介质、新型光学功能材料( 倍频、光束控制和新型高抗损伤特性的紫外光学材料. ( 4 研究与发展更高能量转换效率的泵浦源 ( 如高功率激光二极管与相关配套技术, 包括高效冷却技术、高效耦合单元等. ( 5 研究与发展基于新原理、新机制为基础的新型激光元器件, 如新型位相元件、近场滤波元件等. ( 6 研究与发展新型激光单元技术, 如高效率、高可靠性激光放大器, 重频光开关, 重频光束补偿技术等. # 595 # 作为规划第二步的 10 万焦耳级神光 - Ó 主机, 2007 年 4 月实验室奠基开工, 工程设计和工程制造同步进行; 而输出能量高达100 万焦耳量级的第三步聚变级驱动装置的建设, 也已列入/ 国家中长期科学与技术发展规划0. 4. 3 面向激光聚变科学未来需求, 创新发展第三代激光驱动器如果说第二代激光驱动器能用于实现/ 聚变点火0的历史目标, 那么, 第三代驱动器面对的将是/ 后点火0时代的需求. 点火后的聚变科学向何处去? 我们理解, 至少有两个方向: 一是向纵深发展, 这就是高能量密度科学( H EDS ; 另一个就是向应用发展, 这就是聚变能源开发. 它们对第三代驱动器的要求, 可以概括为/ 四高一复合0, 即高效率、高光束质量、高峰值功率、高可靠性、复合工作体制. ( 1 高效率: 首先要求装置总体能量转换效率由目前的不到 1% 逐步提升到 10% ; 其次, 要求进一步提升装置总体的运行发射效率. ( 2 高光束质量: 突破传统的光束质量概念, 首先应根据不同应用领域对强激光束控制的基本要物理 # 39 卷 ( 2010 年 9 期 http:P Pwww. wuli. ac. cn激光发明 50 周年专题参考文献 [ 1] [ 2] Maurice A. Scien ce and T echnology Review , 2005, 9: 12 Basov N G, Krohk in O H. T he condit ions of plasma heat ing by opt ical generat ion of radiation, In: Proceeding of th e 3rd Int ernat ional Cong ress on Quant um El ect roni cs, Paris, 1963. New York: Columbi a Universit y Press, 1964. 1373 [ 3] [ 4] [ 5] Dawson J M. Phys Fluids , 1964, 7: 981 Wang G C. Chin ese J . of Lasers ,。
实时监测激光核聚变靶球涂敷状态的CCD成像系统设计
第 ２ 卷第 １ ９ 期
２０ ０ ２年 ２月
光 电工程
Ｏｐｏ Ｅｅ ｔ ｎ ｃＥ ｇｎ ｅｉ ｇ ｔ・ ｌｃｒ ｉ ｎ ｉｅ ｉ ｏ ｎ
、 Ｉ ９ Ｎ０ １ ，． ． ． ０ ２
Ｆｅ ． ０ ｂ ２ ｏ２
文章编 号 ： １０ — ０ Ｘ ２ ０ ） １ ０ ３ — ４ ０ ３ ５ １ （０ ２ ０ — ０ ０ ０
ｌｎｓｆ ｒｃ ｅ ｏ ｏｍｐ ｅ ｓｎｇ ｏ － ｘ ｓｒ ｙ ｎ ｒ ｓ ｉ ｆ ａ ｉ ａ ｓａ ｄ ＣＣＤ ｅ ｏ ， ｓ ｎｓ ｒ ａ ＣＣＤ ｃ ｎ ｉ ｎ ｍ ａ ｉ ｇ ｓ ｔ ｍ ｉ ｈ ｃ ｎ Ｓ ａ ｓ ａ ｎ ｎｇａ ｄ ｉ ｇ ｎ ｙｓｅ ｗｈ ｃ ａ Ｃ ｎ
序 ，通过 计算机 实现 了判断 其瞬 间 实时状态 的连续 监测 ，代 替人 眼观察 ，克服 了易疲 劳、易 出错 、漏检 多 、 制造 效 率低 ｒ 的缺 点 。本文 着 重介绍 ＣＤ成像 光学 系统 的设计 ．利刚 现成 可购置 的照 相物 镜作 转像物 镜先 Ｃ
Ｓ ｉ ｕｎ ＨＩＢａ － ａ ， ＬＩＣａ ・ ｎ ， Ｎ ｏ ｘ ｉｆ ｇ ＹＩ Ｈａ ｅ
（ｔｔ Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔｒ Ｍｏ ｅｎＯ ｔ ａ ｓｒｍｅ ｔ Ｓａｅ ｅ ａ ｏａｏｙｏ ｆ ｄ ｒ ｐｉ ｌｎｔ ｃ Ｉ ｕ ｎｓ ， Ｚ ￣ｉｎ ｎｖｒｉ ， ｎ ｚ ｏ ３ ０ ２ ， ｈｎ ） ｈ ａ ｇＵ ｉ ｓｙ Ｈａ ｇｈ ｕ １０ ７ Ｃ ｉａ ｅ ｔ
和 ＣＤ Ｃ 传感器相组合 ， 设计斜向视场上 的二堆扫描机构构成 了 可在 ８ ２ｍＸ ４ｍ ．ｍ ４ｍ 全枧场扫描检测
的 ＣＤ扫描 成 像 系统 ，无论 是 空间分辨 力或 时 间分辨 力都 达到 了实时监 测 的要 求 ，大大提 高 了靶 Ｃ 球膜 层的涂敷 效率 关健 词 ： Ｃ Ｄ成 像 系统 实时监 测 ； 激 光核 聚 变；靶球 Ｃ 中图分类 号 ：Ｔ ２ ７ Ｎ ４ 文 献标 识码 ：Ａ
激光核聚变drc
美国国家点火装置实验室的俯视图
美国人造小太阳耗资12亿美元，是世界上最大的 激光点火装置，整个激光装置的大厅有215米长， 120米宽，每次激光脉冲持续时间大约为十亿分之一 秒，最大输出能量为 1800千焦，其瞬间最大输出功 率为54000亿千瓦，是美国所有电厂输出功率的500 倍。如此大功率的激光装置完全能点燃人造小太阳。
2、核聚变产生的条件
● 核聚变燃料氘、氚 ● 临界条件高压、高温
3、激光诱导核聚变
激光核聚变就是利用激光照射核燃料使 之发生核聚变反应。
我国独立研制的核聚变装置
核聚变反应示意图
二 激光核聚变的发展现状
1、国外激光核聚变的发展现状
● 在激光核聚变研究领域，美国无疑居 于领先地位。美国不仅拥有 “诺瓦”激光器、 世界上功率最大的 X射线模拟器，而且， 早1998年，美国能源部就开始在劳伦斯利 弗莫尔国家实验室启动“国家点火装置工 程”。
目
录
一 激光核聚变的原理
1、激光的性质 2、核聚变产生的条件 3、激光诱导核聚变
二 激光核聚变的发展现状
1、国外激光核聚变的发展现状 2、中国激光核聚变的发展现状
三 激光核聚变的意义
1、民用激光核聚变 2、科研激光核聚变 3、军用激光核聚变
一 激光核聚变的原理
1、激光的性质
● 空间相干性和方向性 ● 时间相干性和单色性 ● 激光的高亮度
2、科研激光核聚变 ● 实验室模拟聚变反应过程，研究许多 极端条件物理问题。 科学家可以用它模拟核爆 ； 科学家可模拟超新星、黑洞边界、恒星 和巨大行星内核的环境，将为科学界提供大 量之前无法获取的数据；
3、军用激光核聚变 ● 激光核聚变在军事上的重要用途之一 是发展新型核武器，特别是研制新型氢弹。
如何实现可控核聚变
如何实现可控核聚变
实现可控核聚变是一项复杂而挑战性的任务，目前科学家们正在不断探索和研究。
可控核聚变是通过控制高温等离子体的条件，使氢同位素在核反应中融合并释放巨大能量的过程。
这个过程类似于太阳和恒星的能源来源，但是要在地球上实现可控核聚变需要解决许多技术难题。
当前最有希望实现可控核聚变的方法是磁约束核聚变，主要有以下几种技术：
1. 托卡马克：托卡马克是一种磁约束核聚变装置，利用强大的磁场将高温等离子体约束在磁场中心的空间中，防止等离子体接触到容器壁并损失能量。
国际热核聚变实验堆（ITER）就是采用托卡马克技术的大型核聚变实验装置。
2. 磁镜机：磁镜机利用复杂的磁场几何形状，将高温等离子体保持在中心区域。
这种技术也在一些实验中被研究和尝试。
3. 等离子体聚束装置：该技术利用多个等离子体束将高温等离子体聚束在一起，形成稳定的聚变状态。
4. 惯性约束核聚变：这种方法利用激光或粒子束等高能束流将氢同位素微团推向高温和高压条件，使得核聚变反应发生。
目前，科学家们在各种实验装置中进行着可控核聚变的研究，但要实现可控核聚变仍然需要克服许多技术和工程上的挑战。
一旦成功实现可控核聚变，它将成为一种清洁、高效、可持续的能源来源，为人类解决能源问题提供巨大的潜力。
激光驱动核聚变研究进展
要 精 密 的 配套 工 程 系统 ， 难度超乎想象 ， 至今 仍 未 实 现 。
激 光 驱 动 核 聚 变 的 最 终 目标 是 输 出 核 聚 变 能 量 。 因 此 ，在 激 光 驱 动 含 有 氘 氚 聚 变 燃 料 的 靶 丸 发 生 聚 变 反 应 实 现 能 量 转 换 的 过 程 中 ，驱 动 激 光 注 入 靶 丸 的 能
动 核 聚 变 得 到 了 各 国 的高 度 重 视 。 美 、 日、 法、 俄 、 韩 等
射 的担忧 ， 科学 家们 坚持 不懈 ， 试 图解 决 “ 受控 ” 难题 。
ｆ ｌ － 么 是 激 光 驱 动 核 聚 变
激 光 驱 动 核 聚 变 是 实 现 受 控 核 聚 变 反 应 的 可 能 方
激 光 驱 动 核 聚 变 装 置 属 于 大 科 学 工 程 ，主 要 由超 大 型 、 超 精 密 激 光 驱 动 源 装 置 和 聚 变 反 应 平 台装 置 两 部 分 组 成 ，其 中 激 光 驱 动 源 装 置 是 整 个 系 统 的基 础 和 关键。 具体 的研究 工作 包括 激光驱 动 源装置 开发 、 驱 动 方案优 化 、 驱 动 试 验 装 置 与 测 试 平 台建 设 、 驱 动 物 理 与
［ １ ］ Ｋ ｒ ａ ｍ ｅ ｒ Ｄ ． Ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｉ ｇ ｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｆ ａ ｃ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｕ ｎ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｆ ｕ ｔ ｕ ｒ ｅ ． Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ
Ｔ ｏ ｄ ａ ｙ ． ２ ０ １ ３ （ ６ ） ： ２ ０ — ２ ３ ．
行 性 的途 径 ， 若 能 实 现 将 彻 底 改 变 世 界 能 源 状 况 。 然 而 ． 激 光 驱 动 核 聚 变 计 划 的 推 进 需 要 依 靠 物 理 学 等 领 域研 究 的 发展 ， 只 有 进 一 步 提 升 激 光 器 系 统 以 极 大 改 善 激 光 脉 冲 的 控 制 能 力 ，并 采 用 更 新 颖 的 驱 动 方 案 ， 未 来 才 有 可 能 在 点 火 物 理 和 工 程 技 术 上 获 得 超 过 现 有水 平 的创新 和 突破 。