激光约束核聚变
可控核聚变磁约束和激光约束
可控核聚变磁约束和激光约束
可控核聚变是一种有前途的能源技术，它利用核聚变反应产生大量的能量。
目前，实现可控核聚变的主要方法有磁约束和激光约束两种。
磁约束是通过磁场将等离子体约束在一定的空间内，使其达到高温高压的状态，从而引发核聚变反应。
目前比较成熟的磁约束装置是托卡马克，它利用强大的磁场将等离子体约束在环形真空室内，通过加热和压缩等离子体来实现核聚变反应。
磁约束的优点是技术相对成熟，已经实现了长时间的等离子体约束和聚变反应。
激光约束是利用高功率激光束将等离子体加热到极高温度，从而引发核聚变反应。
目前比较典型的激光约束装置是惯性约束聚变，它利用高功率激光束将燃料球加热到数千万度的高温，使其发生内爆，从而实现核聚变反应。
激光约束的优点是反应条件更为苛刻，可以实现更高的能量增益和更短的聚变时间。
两种方法各有优缺点，目前都还面临着一些技术挑战。
磁约束需要解决磁场的稳定性、等离子体的控制和加热等问题，而激光约束则需要解决高功率激光的产生、传输和聚焦等问题。
未来，可控核聚变的发展可能需要综合运用两种方法的优点，以实现更高效率和更稳定的聚变反应。
激光约束核聚变-
神光-II 激光驱动器
2010.09.15
2010.09.15
规模比神光-Ⅰ装置扩大4倍,。
2019年4月，神光Ⅱ装置成功突破100万亿瓦大关， 输出峰值功率达到120万亿/36飞秒 国际上只有少数发达国家的著名实验钛宝石激光 装置输出功率超过100万亿瓦
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概 2、第一次工业革命发明了以煤为燃料的蒸汽机， 煤的开采迅速发展 3、魏源的《海国图志》介绍了西方的蒸汽机，
况 洋务运动引进了先进的蒸汽机器。 4、改革开放后，中国的煤产量世界第一
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特点：能量高，运用广泛；但资源有限，污染严重 作用：在古代提高了手工业生产的效率，方便人民的
生活。在近代使社会生产由手工操作发展到机 器生产。也促进了交通和军事的近代化。同时 造成了环境污染。
第一台CO2分子激光器 1965年9月 王润文等
第一台CH3I化学激光器 1966年3月 邓锡铭等
第一台YAG激光器
1966年7月我国屈各类乾激华光器等的“第一
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神光-Ⅰ激光驱动器 第一个激光专业研究所-中国科学院上海光机所
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总建筑面积4612平方米，为4层钢筋混凝土框架结构， 总高度15米。该装置输出两束口径为200mm的强光束， 每束激光的峰功率达1万亿瓦，脉冲宽度有1ns和100ps 两种，波长为1.053μm的红外光，可倍频到0.53μm 绿光。
神光Ⅱ在1000万亿分之36秒的超短瞬间内， 迸发出相当于全球电网发电总和数十倍的强大功率. 不论是国外还是国内，巨型激光驱动器都是综合 国力的反映，能够代表一个国家在这一领域的 科技水平。 它的研制对相关科学技术有重大的带动作用。
激光惯性约束聚变综合诊断系统讲解
第 15卷第 11期强激光与粒子束Vol. 15,No. 112003年 11月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMSNov. ,2003文章编号 : 100124322(2003 1121073206激光 2惯性约束聚变综合诊断系统Ξ郑志坚 , 丁永坤 , 丁耀南 , 刘忠礼 , 刘慎业 , 孙可煦 , 成金秀 , 江少恩 , 祁兰英 , 张保汉 , 杨存榜 , 杨家敏 , 苏春晓 , 陈家斌 ,李文洪 , 易荣清 , 唐道源 , 黄天 , 曹磊峰 , 温树槐 , 彭翰生 , 蒋小华 , 缪文勇(中国工程物理研究院激光聚变研究中心 , 四川绵阳 621900摘要 :概述了为在强激光装置“ 神光2II ” 、“ 星光2II ” 上开展惯性约束聚变实验而建立的综合诊断系统的构成与指标。
重点介绍了近期在 X光、光学波段、聚变产物、诊断精密化等方面的进步 , 以及该诊断系统在黑腔靶物理、内爆动力学、不透明度研究中的应用。
关键词 :惯性约束聚变 ; 等离子体诊断技术 ; 高时空分辨中图分类号 : TL817文献标识码 : A目前激光 2惯性约束聚变 (ICF 在理论、实验、激光器件、诊断及制靶方面“五位一体” 地同步发展。
激光 2ICF 研究采取两大途径———“ 直接” 驱动和“ 间接” 驱动。
无论是“ 直接” 驱动 , 还是“ 间接” 驱动 , 为了摸清其每一个物理过程的规律 , 都必须开展综合及分解实验 , 而完成这些实验的前提是要有好的诊断设备及巧妙的诊断技术。
近几年 , 人们越来越感到了“ 精密物理” 的重要 , 期望通过诊断、制靶和激光装置的同步精密达到实验物理数据、信息可靠的目的。
激光驱动的 ICF 诊断技术必须突破传统模式 , 基于不断认识的新原理 , 建立和摸索满足“ 不具类比” 的等离子体特性要求的诊断设备和诊断技术 [1]。
激光 2惯性约束聚变诊断技术还具有单次脉冲、混合场、被测物理量程量宽、时空分辨高(ps , μm 等特点 , 这近乎是对以光电技术为基础的诊断手段极限能力的一种挑战。
激光惯性约束聚变讲解
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这一装置能产生类似恒星内核的温度和压力，并使美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。
打造12年耗资35亿打造年耗资亿据利弗莫尔劳伦斯国家实验所发表的新闻公报，这个激光聚变装置名为“国家点火装置(NIF)”，被安置在一幢占地约3个橄榄球场地的 10层楼内，它由美国能源部下属国家核安全管理局投资，从1997年开始建设，总共耗资约35亿美元。
公报说，国家点火装置可以把200万焦耳的能量通过192条激光束聚焦到一个很小的点上，从而产生类似恒星和巨大行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。
这一过程同太阳中心产生能量原理相似，因此这一试验被称为“人造太阳”。
在此基础上，科学家可以实施此前在地球上无法实施的许多试验。
无需核试验保持核威慑力公报说，国家点火装置共有3个任务，第一个任务是让科学家用它模拟核爆炸，研究核武器的性能情况，这也是美国建设国家点火装置的初衷，即作为美国核武器储备管理计划的一部分，保证美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。
国家点火装置的第二个任务是使科学家进一步了解宇宙的秘密。
科学家可使用国家点火装置模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，进行科学试验。
激光核聚变点火成功 “人造太阳”指
9核聚变的研究。
想要两个原子核克服电排斥力结合，需要极为苛刻的条件。
以太阳为例，其中心有高达1500万摄氏度的超高温，以及约有3000亿个大气压的超高气压。
可控核聚变往往被称为“人造太阳”，需要模拟太阳中心的环境。
实现可控核聚变有两条主流的技术路径：磁约束核聚变和惯性约束核聚变。
地球上无法实现太阳的超高压，但如果把核燃料加热到1 亿摄氏度以上，原子核便会有足够的动力相互碰撞，发生聚变反应。
但一旦到了这一温度，所有固态材料会直接汽化。
上世纪50年代，苏联科学家研制出一个形似甜甜圈的“炼丹炉”，被称为托卡马克装置。
它在环形圈内构建磁场约束核燃料，使其不与高温的容器壁接触，可以持续燃烧一段时间，产生能量。
此后，世界范围内曾掀起托卡马克建设热潮，美国、欧洲、日本、中国都斥巨资打造了这类大型装置。
而惯性约束核聚变，是通过激光产生巨大压强，使核燃料体积在瞬间变小，密度变大，原子核发生聚变反应。
世界上最知名的装置，当192束超高能量的激光束同时轰击一颗胡椒粒大小、装有氘和氚元素的圆柱体时，会产生什么结果？当地时间2022年12月5日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）开展这项实验，“奇迹”发生了。
激光束为圆柱体提供2.05 兆焦耳的能量后，输出了3.15兆焦耳的核聚变能量。
12月13日上午，美国能源部与美国核安全管理局专门召开新闻发布会，宣布这一重大突破。
美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆称，“这是一个具有里程碑意义的成就”，未来将激发更多的发现，为美国国防和清洁能源的发展铺平道路。
一直以来，可控核聚变被认为是“人类的终极能源”，但历经70多年的研究后，仍处在实验阶段。
“点火”，即核聚变产生的能量超过激光束打入的能量，是可控核聚变走入现实必要的指标之一。
“只有这种情况下，这一装置才有望提供能源，而不只是一个耗电器。
”中山大学中法核工程与技术学院副教授王志斌向记者解释说，LLNL 这次的实验从科学层面证明了，惯性约束聚变可以实现净能量增益。
控制核聚变的方法
控制核聚变的方法核聚变是一种能量释放方式，它能够产生比通常的化石燃料更为强大的能量。
控制这种能量释放是一个非常挑战性的任务。
本文将介绍几种控制核聚变的方法。
一个重要的控制方法是建造一个稳定的容器来容纳聚变过程。
这个容器被称为托卡马克，是为这项技术设计的一个关键部分。
托卡马克利用磁场束缚等离子体，这可以防止聚变反应过度增长而导致能量释放失控。
磁场的位置和强度需要精细调整，以确保等离子体保持在一个恰当的状态，从而达到稳定的控制。
为了控制核聚变，需要确保等离子体中的参数保持稳定。
其中一个重要参数是等离子体温度。
为此，需要使用加热器将能量输入等离子体，控制其温度。
使用强大的激光预热等离子体以达到所需的温度。
等离子体密度也是一个重要参数，在等离子体中使用多种方法来确保密度保持稳定。
第三种方法是使用反应物排量来控制聚变。
聚变反应需要高能粒子相互碰撞，而反应的反应物是粒子的来源。
如果需要减缓聚变反应，可以降低反应物的输入速度，以降低反应的强度。
可以使用气体阀来控制氢气输入速度，从而控制核聚变的速率。
还需要考虑如何安全地停止聚变反应。
一种方法是控制反应物的供应，使反应自然减弱。
另一种方法是使用一组专门设计的设备来立即扰乱等离子体，停止反应。
这些设备包括聚焦微波和射频干扰器等。
通过利用稳定的托卡马克容器、保持等离子体参数的稳定、控制反应物及时排放以及安全停止实验方法，可以实现可控的核聚变反应。
这将有望成为一种新的绿色能源，为我们的未来提供持续的能源。
除了上述的控制方法，还有一些与核聚变相关的问题需要解决。
核聚变实验通常需要大量的能量输入，这在实际应用中会产生一定的问题。
寻找经济有效的能量输入方法将是未来的重点研究方向。
一些科学家正在探索使用太阳能等可再生能源作为能量输入来源。
还需要优化使用巨型托卡马克设备的设计，以提高其效率和可持续性。
由于核聚变反应涉及高能粒子的相互作用，所以航天飞行员在长时间太空飞行时需要寻求有效的辐射防护措施。
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 ,。
可控核聚变技术介绍
可控核聚变技术介绍可控核聚变技术是指通过人为干预和控制，实现核聚变反应过程的一种技术。
它是人类追求清洁、高效能源的重要途径之一。
本文将从定义、原理、实现方法以及前景等方面进行介绍。
我们来了解一下什么是核聚变。
核聚变是指两个轻元素的原子核相互融合形成一个更重的原子核的过程。
在这个过程中，释放出巨大的能量。
而可控核聚变技术就是在实验室中通过人为的方式控制和维持这种核聚变反应，使其持续进行。
可控核聚变技术的原理是利用高温和高压的条件，将氢同位素（氘和氚）进行加热和压缩，使其达到足够高的能量状态，从而使氢同位素原子核之间的斥力被克服，进而发生核聚变反应。
在核聚变过程中，氢同位素的原子核融合成为一个更重的原子核，同时释放出巨大的能量。
实现可控核聚变技术有多种方法，其中最有潜力的是磁约束聚变和惯性约束聚变。
磁约束聚变是利用强大的磁场将气态氢同位素原子核约束在一个磁场中，使其保持高温和高密度的状态，从而实现核聚变反应。
而惯性约束聚变则是利用激光或者粒子束将氢同位素原子核加热至高温高压状态，使其发生核聚变反应。
可控核聚变技术在能源领域具有巨大的应用前景。
首先，核聚变反应释放的能量是核裂变的数百倍，而且核聚变反应所需的燃料氢是取之不尽、用之不竭的，因此可控核聚变技术可以为人类提供可持续、清洁的能源来源。
同时，核聚变反应不会产生大量的放射性废物，相比之下，核裂变反应产生的放射性废物会对环境和人类健康造成巨大的威胁。
因此，可控核聚变技术可以有效解决核能发展中的核废料问题。
然而，要实现可控核聚变技术仍然面临着诸多挑战。
首先，要建立一个能够维持高温和高密度状态的反应器是非常困难的。
目前的技术还没有达到能够持续维持聚变反应所需的高温和高密度条件。
其次，燃料氢的获取也是一个问题。
氢同位素氘和氚在自然界中的含量非常稀少，获取和储存氢同位素需要耗费大量的能源和成本。
此外，可控核聚变技术还需要解决反应堆材料的辐射损伤和材料疲劳等问题。
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激光约束核聚变
激光约束核聚变是一种新兴的聚变能技术，其基本原理是利用激光束将燃料聚变可控
地压缩到高密度和高温度，使其发生核聚变反应，从而产生大量的能量。
激光约束核聚变的核心是通过激光束将燃料聚变可控地压缩到高密度和高温度，这需
要高功率、高品质的激光，因此激光约束核聚变是激光技术、聚变技术和计算机技术的集
成应用。
激光约束核聚变的实现需要经过四个关键的步骤。
第一步是激光初始放大和调制，当
激光被放大到足够高的能量时，将其调制为一组高质量和稳定的激光脉冲。
第二步是激光
束转换和预压缩，这一步需要将激光束转换为能够同时照射到燃料中的多条激光束，并对
其进行预压缩，以达到高能量和低散焦度。
第三步是燃料球的制备和注入，需要将燃料制
成小球状，然后通过注入器注入到激光束交叉点处。
最后一步是激光压缩和聚变反应，即
将燃料球在激光束的作用下进行压缩，并达到足够高的密度和温度，从而促进核聚变反应
的发生。
激光约束核聚变具有众多的优点。
首先，它是一种非常干净、安全和环保的能源技术，没有排放温室气体和核废料的问题。
其次，它的能源密度非常高，可以在短时间内产生大
量的能量，满足人类短期能源需求。
最后，激光约束核聚变技术的发展可以促进激光技术、聚变技术和计算机技术的相互交流和合作，推动这些技术的发展和应用。
虽然激光约束核聚变技术非常有前途，但它也面临着多种挑战。
首先，激光光源的稳
定性和能量输出需要得到进一步提高，以保证聚变反应的可控性和稳定性。
另外，燃料中
的杂质和不同的参数变化、气体动力学问题和激光与燃料的相互作用问题也需要进一步研
究和解决。
总之，激光约束核聚变是一种前景广阔的清洁能源技术，其实现不仅需要高功率、高
品质的激光，还需要计算机模拟、燃料制备和其他多种技术的配合。
如果能够克服上述挑战，这种新兴的聚变能技术将可能在未来替代传统的化石能源，成为人类长期、可持续的
清洁能源来源。