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回顾NIF激光聚变走过的路是革新还是黄粱一梦OFweek激光网dd-【新闻】

发布时间:2021-04-06 03:06:17 阅读: 来源:测振仪厂家

回顾NIF激光聚变走过的路:是革新还是黄粱一梦 - OFweek激光网

2014年初,美国NIF装置宣传他们实现了产出净正能量的聚变反应。聚变领域的科学家们对这一进步欢欣鼓舞 但距离实现可持续聚变能源的道路仍旧漫长而充满未知。 2014年2月,美国LLNL实验室,NIF装置。以激光驱动核聚变为目标的科学家们实现了一个里程碑式的突破:聚变反应产出的能量比激发其聚变的能量更高了。这份报告几乎恰好在该装置进行首次192路空腔测试的五年后问世。当NIF在证实激光聚变的道路上刚开了个好头,之后又陷入重重技术问题的当口,该报告的问世无疑带来了一些受人欢迎的好消息。 通过反思产生使聚变发生的内爆的方法,特别是对激光脉冲波形进行整形以减少困扰此项目很久的不稳定性,NIF的工作团队终于得以实现这次里程碑式的进步。然而,尽管实现了净能量产出是一个重要的进展,但实现装置点火的核心目标 产生可以自持的聚变反应 还需要有很多年的努力。本文是对迄今为止NIF走过的激光聚变的道路的总览,并揭示其未来的道路可能在何方。 概念提出:在地球上创造一颗恒星 自从发现热核聚变是太阳的能源时,科学家们就已经梦想能驾驭这种聚变的能量。但是太阳巨大的重力使得其实现聚变轻而易举 将氢原子和聚合到一起,形成氦核并释放巨大的能量,同时这一过程可持续进行,成为可自持的燃烧 而这在地球上极难实现的,在过去60年中人们一直无法实现大强度或稳定的热核聚变。目前的大部分研究特别集中磁约束聚变方法上。 随着激光技术的发明和进步,另一种可能实现聚变的方法问世了。惯性约束聚变通常由高功率激光将微克量级的冰冻氘和氚加热,以驱动聚变反应,从而实现点火目标。1972年,LLNL实验室的John Nuckolls和同事们提议建造这样的一个装置,并草拟了激光功率,脉冲波形,球对称性等关键变量的设计要求。 十年后,Nuckolls和同事们进一步细化了这一概念,提议将样品燃料球放置在黑体辐射腔内。概念中,激光轰击到黑体辐射腔内后转化为X射线,进而X射线将烧蚀靶球并激发内爆。这一基本框架 即所谓的间接驱动方法 凝聚了NIF人为了点火默默的付出。 图1 金制圆柱黑体辐射腔,尺寸大概相当于一块橡皮,内置胡椒子大小的聚变燃料靶丸 NIF该如何工作 为了在地球上实现瞬间能够媲美恒星和行星内核的1亿度高温和一千亿倍大气压的超高温超高压环境,NIF的大量工作始于一个9.425mm长,5.75mm直径的金制圆柱空腔,即黑体辐射腔。在辐射腔内是一个2mm的球体,内含一个冰冻的氘-氚球混合冷冻的氘-氚气体。该球体包裹在掺杂硅的塑料外壳内。黑体辐射腔的靶 其尺寸就如同铅笔上的橡皮那么大 放置在一个10米直径的球形靶室内,而该靶室又位于NIF装置的 中央车站 内,那是一个混凝土制的围墙,其高度和直径都是30米。 以激光向黑体辐射腔的轰击过程始于一束能量很弱的激光脉冲(大约1nJ),经过NIF一系列的掺钕玻璃前置放大器和主放,最终的总能量将被放大到1.9MJ。这一巨大的能量经由192路分离的激光放大光束传递到黑体辐射腔内,自适应光学件(变形镜等用来校正波前误差)和其他一系列装置用来提供光束质量,控制光束特性,将红外光转变为紫外光,并聚焦到豌豆大小的黑体辐射腔内。从开始传输到最终进入靶室,光束共传输了1500米 历时大约5 s 且最终打靶的精度控制在50 m以内。 当聚焦的光束同时射入金制的黑体辐射腔内时,会在内部产生X射线,并急速加热燃料芯块的掺硅塑料包层。靶球的剩余部分将向内进行内爆,压缩内部的燃料块,并产生一个冲击波附加更多热量到燃料块上,由此产生 点燃 效果。虽然激光照射在靶上的时间约20ns,但大部分的核反应在 声爆时间 内就发生了,这个时间短到大概只有100~200ps。 如果内爆是对称发生的,且内爆速度足够大(约700,000英里/时),氘和氚原子将在千亿分之一秒内聚合到一起,发生聚变反应,并产生出比太阳核心温度还要高的高温。聚变反应将生成Alpha粒子(氦核)和中子。Alpha粒子将附带能量进入氘-氚燃料内,加热燃料并增加聚变反应的比例,从而产生更多Alpha粒子,这就是已知的 热点区 。 这一链式反应表明了氘-氚燃料的燃烧速度如何提速并最终达到自持的 达到能够进行增殖燃烧或者点火。终极目标是实验室内的人造恒星将能产出10~100倍于将其点火的能量。

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