惯性约束聚变(ICF)

问题4
为什么激光的照射时间要极短？
• 实际操作中无法达到完全均匀照射，必须 控制这部分能量在极短的时间内输出，使 粒子来不及飞散就已经开始核聚变。
• 节约能量。核聚变开始后就不需要外界提 供能量了，这时候没必要再用激光照射。
• NIF目前还没有真正实现“点火”，只能
释放燃料的部分能量。理论上产出与投 入的能量比为15:1，但是实际上只能做 到稍大于1:1。
• 进行高能物理实验，模拟超新星、恒星和 巨大行星内核的环境，探索宇宙的奥秘。
• 发展可控核聚变。
问题1 2012年3月的一次实验中，NIF以 4.11*1014W的功率输出203万焦耳的能量，
这相当于全美国所有电站发电功率的500 倍，这怎么可能？就算其他美国人当时都
不用电也远远不够啊？
• 2.03*106J其实并不多，1度电（1kW·h）是 3.6*106J，这次实验用电量连五毛钱都还不到。
下面让我们看一下 我国在这方面的研究历程
神光计划
—惯性驱动核聚变激光约束装置
工程期限 1980-2030
下图为神光高能激光系统的球形真空靶室和光学设备
图为2008年11月16日晚，中央电视台新闻联 播曝光的中国工程物理研究院的惯性约束核 聚变激光驱动装置原型
我国从上世纪60年代即开始惯性约束聚变 的研究，在王淦[gàn]昌、王大珩[héng]的 指导下，中国科学院和中国工程物理研究 院从80年代开始联合攻关，上海光机和长 春光机都是协作单位。六十年代初，我国 激光聚变研究刚刚起步的时候，钱学森院 士就形像地指出：你们的事业是在地球上 人造一个小太阳！
目前，神光-Ⅲ原型装置“十五”建设目标已圆满完成，达到“8束出光，脉 冲-万焦耳”的水平，标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一 代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具 备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。
我国激光核聚变大事记 1964年，王淦昌提出了研究激光聚变的倡议。
1990年，神光I获得国家科技进步奖一等奖。 1994年，神光-Ⅰ退役。神光-Ⅰ连续运行8年，在激 光惯性约束核聚变和X射线激光等前沿领域取得了一 批国际一流水平的物理成果。
神光Ⅱ
1993年，国家“863”计划确立了惯性约束聚变主题，进一步推动了 国家惯性约束聚变研究和高功率激光技术的发展。
1994年5月18日，神光Ⅱ装置立项，工程正式启动，规模比神光-Ⅰ装 置扩大4倍。
“神光Ⅱ”的数百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内。神光 Ⅱ能同步发射8束激光，在约150米的光程内逐级放大：每束激光的口 径能从5毫米扩为近240毫米，输出能量从几十个微焦耳增至750焦耳/ 束。当8束强激光通过空间立体排布的放大链聚集到一个小小的燃料靶 球时，在十亿分之ห้องสมุดไป่ตู้秒的超短瞬间内可发射出相当于全球电网电力总 和数倍的强大功率，从而释放出极端压力和高温，辐照充满热核燃料 气体的玻璃球壳，急速压缩燃料气体，使它瞬间达到极高的密度和温 度，从而引发热核聚变。神光Ⅱ已实现“全光路自动准值定位”，实 验中能及时纠正因震动和温度变化而带来的仪器微偏，使输出激光经 聚焦后可精确穿过一个约0.3毫米的小孔，仅比一根头发丝略粗一点。
1965年，上海光机所开始用高功率钕玻璃激光产生激光聚变 的研究。
1973年5月，上海光机所建成两台功率达到万兆瓦级的高功率 钕玻璃行波放大激光系统。
1974年，上海光机所研制成功毫微秒10万兆瓦级6路高功率钕 玻璃激光系统，激光输出功率提高了10倍。 1980年，王淦昌提出建造脉冲功率为1万亿瓦固体激光装置的 建议，称为激光12号实验装置。 1987年6月27日，神光I通过了国家级鉴定。 1994年，神光I退役，神光I连续运行8年。 1994年5月18日，神光Ⅱ装置立项，工程正式启动。 2001年8月，神光Ⅱ装置建成，总体性能达到国际同类装置的 先进水平。
2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光装置实验室工程举行了开 工奠基仪式。
惯性约束核聚变的优劣
因为现在可控核聚变的主流方式就是惯性约束和磁约束，所以这里 我们聊惯性约束核聚变的优劣，主要是和磁性约束核聚变的对比之 下的结果。
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这张图是X射线从辐射空 腔两端射向靶球的模拟图
NIF有世界上最大的光学仪器。这是KDP晶体（磷酸二氢 钾），重360kg。整个装置需要约600个这样的晶体。
• 这是粗切成块的激光放大器玻璃薄片，整 个装置需要3072块这样的钕磷酸盐玻璃。
NIF的主要任务
• 模拟核爆炸，研究核武器的性能情况，使 得美国在不进行核试验的情况下保持核武 器的先进性。
神光-Ⅲ
1995年，激光惯性约束核聚变在“863计划”中立项，我国科研人员开始研制 跨世纪的巨型激光驱动器——“神光-Ⅲ”装置，计划建成十万焦耳级的激光 装置。
2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光装置实验室工程举行了盛大的开工奠基仪 式。该工程位于绵阳中国工程物理研究院内，建筑面积28154m2，平面布置 ：呈长方形布置，建筑物总长178m，总宽75m，建筑结构十分复杂。规划中 的“神光-Ⅲ”装置是一个巨型的激光系统，比当前世界最大的NOVA装置还 要大一倍多。原计划它具有60束强光束,紫外激光能量达60KJ,质量和精密性要 达到21世纪的国际先进水平，现在该计划可能已经进一步修改，以提高能量 规模。惯性约束聚变点火工程（2020年）被已确定为《国家中长期科学和技 术发展规划》的十六项重大专项之一。
• 从这里我们看到，该技术的核心就是怎样 获得均匀的高能的射线作为点火装置。
美国国家点火装置（NIF）
• 这部激光器于2009年启 用，它可以将192束激光 的能量转换为X射线，聚
焦到一个胡椒粒大小的
燃料球上，在十亿分之 三秒内，以近5*1014W的 功率，输出约180万焦耳
的能量，产生一亿开的 高温和1016Pa的高压。
发展历程
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年获得氘-氘碰撞中子. 1978年中国 工程物理研究院和中国科学院携手合作, ICF研究 进入了全面发展的新阶段。
这是由于惯性约束是通过激光来控制聚变的启动和关闭的。
惯性约束耗能高、成本高。由于要得到高能的激光这需要消耗大 量的能量，而磁场的成本会相对较低。此外，靶丸的成本也很难 降下来。 惯性约束的持续性差。得到持续的高能粒子的难度较得到稳定磁 场的难度要大的多，实际应用中可能需要重复点火。
谢谢观赏
• 功率是经过放大的，不可能直接由国家电网输 出。
就算功率是经过放大的，初始功率也至 少几千千瓦（寝室连一千瓦的吹风机都
不让我们用），这怎么办？
问题 2
这是NIF的电容、高压电线和7680个闪光灯
问题3
太阳内核温度也只有1500万开， 为什么实验室要将燃料加热到1
亿开呢？
• 太阳内核压强高达2.3*1016Pa，使得原子核 之间靠得很近而发生核聚变，实验室无法 达到这样的高压，只能通过提高温度来弥 补。
惯性约束聚变（ICF）
第二组
为了能够利用核聚变的巨大能量，现代 对于核聚变的研究大都集中在可控核聚 变，而这其中利用惯性约束核聚变 （ICF）就是一种重要的方向。
下面让我们简单了解惯性约束核聚变的 的基本情况。
基本原理
• ICF的基本思想是利用激光、X-射线或者高 能粒子束作为能量驱动源，脉冲式地提供 高能量，均匀地作用于装填氘氚燃料的微 型球状靶丸外壳表面，进而形成高温高压 等离子体。利用反冲击力，使靶外壳极快 向心运动，压缩燃料，使其产生高温高密 度热斑。由于脉冲时间极短，热核燃料因 惯性而来不及飞散，从而充分发生聚变。
近年来, 致力于研制和应用钕玻璃激光驱动器 “ 神光”系列装置, 取得了显著进展, 推动了我国惯 性约束聚变实验和理论研究, 并在国际上占有一 席之地。
神光Ⅰ
神光I建成为进行世界前沿领域的激光物理试验提供 了有利的手段，对尖端科研和国民经济建设均具有 重要意义。1986年夏天，张爱萍将军为激光12号实 验装置亲笔题词“神光”。于是，该装置正式命名 为神光-Ⅰ。1989年起，神光I直接驱动获5000000中 子产额，间接驱动获10000中子产额，冲击波压强达 0.8TPa，获近衍射极限类氖锗X光激光增益饱和。