|
2010年10月6日，美國(guó)國(guó)家核軍工管理局和勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室宣布其建造的國(guó)家點(diǎn)火裝置完成了其首次綜合點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)中，192束激光系統(tǒng)向首個(gè)低溫靶室發(fā)射了1MJ激光能量。 美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）（即激光聚變裝置）是與中國(guó)“神光”計(jì)劃類似的工程，由位于美國(guó)加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制。 該計(jì)劃自1994年開(kāi)工以來(lái)延期了很多次，它最終的目標(biāo)是2010年實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，并達(dá)到平衡點(diǎn)，即激光在聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量大于它們所消耗的能量。 該計(jì)劃建造和運(yùn)行花費(fèi)超過(guò)35億美元，容納NIF裝置的建筑物長(zhǎng)215米，寬120米，相當(dāng)于三個(gè)足球場(chǎng)。 美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火計(jì)劃(NIC)是在2009年開(kāi)始進(jìn)行的。當(dāng)時(shí)正值耗時(shí)35億美元的國(guó)家點(diǎn)火裝置建成投入使用后不久。國(guó)家點(diǎn)火裝置的建設(shè)工期超出預(yù)定達(dá)7年，預(yù)算也超支20億美元。這一裝備有192束激光的設(shè)備可以產(chǎn)生1.8兆焦耳的熱量，用于嘗試核聚變點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，其先期研制的主要支持力量來(lái)自軍方的核武器項(xiàng)目。9月份時(shí)國(guó)家點(diǎn)火裝置獲得了迄今最高的激光能量和中子產(chǎn)量，數(shù)值分別為1.6兆焦耳和6×1014 。在此之前的最高激光能量紀(jì)錄是今年6月份創(chuàng)造的1.3兆焦耳。根據(jù)柯寧的說(shuō)法，此次1.6兆焦耳的能量達(dá)到了點(diǎn)燃核聚變“燃料”所需熱量的1/3，而中子量大約還差一個(gè)數(shù)量級(jí)。 2011年11月18日，就在美國(guó)能源部負(fù)責(zé)科學(xué)研究的副部長(zhǎng)史蒂夫柯寧宣布辭職的當(dāng)天，他的備忘錄被公開(kāi)，在備忘錄中他記錄了18日當(dāng)天的最后一篇日志。他表示在從10月28日開(kāi)始進(jìn)行的35次實(shí)驗(yàn)中，任務(wù)進(jìn)行的還是比較順利的，激光器的表現(xiàn)也非常良好。而點(diǎn)火目標(biāo)也表現(xiàn)不錯(cuò)，性能穩(wěn)定。不過(guò)他也指出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題，其中一部分是可以解決的，但是也有一部分將會(huì)很難對(duì)付。 
國(guó)家點(diǎn)火裝置的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)他們對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)期和實(shí)際情況總是存在很大的誤差。對(duì)靶標(biāo)表現(xiàn)的模擬顯示人們對(duì)能量在黑體輻射空腔內(nèi)的分布狀況等方面的認(rèn)識(shí)仍然存在不足。即便在進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整之后，最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然僅能獲得大約20%的理論預(yù)計(jì)產(chǎn)出。 科學(xué)家們現(xiàn)在正在不斷進(jìn)行相關(guān)的調(diào)試工作，這對(duì)于在2012年9月份的最后期限之前實(shí)現(xiàn)研制目標(biāo)至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在已經(jīng)大大增加了實(shí)驗(yàn)的頻率。并且將所謂實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火閾值因子(ITFX)數(shù)值提升了5倍。但是這一數(shù)值的最高值仍然僅有點(diǎn)火閾值的10%左右。盡管“基本上符合項(xiàng)目計(jì)劃”，但是這一ITFX數(shù)值的規(guī)定還是讓這一宣稱具有“絕佳實(shí)驗(yàn)控制性能和激光測(cè)試參數(shù)”的實(shí)驗(yàn)室感到失望。 實(shí)現(xiàn)可控核聚變點(diǎn)火的技術(shù)難度極大，即便是在占地超過(guò)三座足球場(chǎng)的國(guó)家點(diǎn)火裝置也是如此。工程師們必須確保激光束分四級(jí)，每級(jí)均以極其精確的時(shí)間間隔逐次增強(qiáng)其強(qiáng)度，并在書(shū)納秒的極短時(shí)間內(nèi)發(fā)出，以便激發(fā)一個(gè)柱狀空腔內(nèi)產(chǎn)生X射線場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)均勻內(nèi)爆，這將壓縮一個(gè)包含氘和氚的小球體，這兩種氫同位素是核聚變反應(yīng)的燃料。如果時(shí)間上或者激光強(qiáng)度遞增梯度上出現(xiàn)哪怕最微小的失誤也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)爆不均勻，從而造成點(diǎn)火失敗。最近進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中工程師們發(fā)現(xiàn)最后一級(jí)激光脈沖總是會(huì)比預(yù)期的時(shí)間慢一些。 在最新的實(shí)驗(yàn)中工作人員們?cè)冱S金中摻入貧鈾材料制成靶標(biāo)空腔，用以替換先前使用的全黃金質(zhì)地空腔。之前在羅切斯特大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)顯示采用這種混合材料將對(duì)改善實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生積極的影響。 柯寧表示此次實(shí)驗(yàn)的成敗將不會(huì)對(duì)核武器的表現(xiàn)產(chǎn)生直接影響。不過(guò)他也表示此次點(diǎn)火試驗(yàn)中提供的數(shù)據(jù)將會(huì)使國(guó)家點(diǎn)火裝置目前本已處于很高水準(zhǔn)的核武儲(chǔ)備管理水平得到進(jìn)一步的加強(qiáng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，距激光器達(dá)到實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火所需的條件指日可待。NIF的負(fù)責(zé)人說(shuō)：“此次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)達(dá)到了前所未有的水平，這確保了激光器將在實(shí)現(xiàn)聚變的必要設(shè)計(jì)指標(biāo)下運(yùn)行。” 盡管尚未進(jìn)行點(diǎn)火演示，演示時(shí)間也并未確定。但據(jù)加州NIF設(shè)施的官員稱，他們已完成了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所需進(jìn)程的75%。 “我們所收集的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料表明，我們離實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的目標(biāo)已經(jīng)近在咫尺，且并未發(fā)現(xiàn)影響點(diǎn)火的關(guān)鍵性問(wèn)題”他們說(shuō)道，“我們可能在未來(lái)的幾個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間里獲得重大成就。無(wú)論如何，這相比原定項(xiàng)目計(jì)劃中的50年期限將大大縮短。” 雖然科研團(tuán)隊(duì)并未對(duì)激光聚變點(diǎn)火這一重要事件制定出準(zhǔn)確時(shí)間，但激光聚變能負(fù)責(zé)人Mike Dunne今年早些時(shí)候曾說(shuō)，點(diǎn)火可能在2012年年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。 Dunne在今年1月舉辦的SPIE美國(guó)西部光電展（Photonics West）發(fā)言時(shí)說(shuō) ：“我們現(xiàn)在有信心宣布，聚變點(diǎn)火將在未來(lái)的6-18個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)。” 下一步：α粒子加熱 NIF團(tuán)隊(duì)的下一主要步驟是“α粒子加熱”工作。即對(duì)激光內(nèi)爆基礎(chǔ)上產(chǎn)生的氦原子核（α粒子）進(jìn)行加熱，提高聚變?nèi)剂系臏囟炔⒕S持等離子體高溫，使聚變反應(yīng)持續(xù)。 “我們已成功從核聚變反應(yīng)產(chǎn)生α粒子，并使燃料達(dá)到足夠密度以儲(chǔ)存所需能量”NIF研究人員說(shuō)，“我們將在今年夏天的實(shí)驗(yàn)中尋找實(shí)現(xiàn)α粒子加熱最可行的內(nèi)爆方式。”
此次1.8 MJ/500 TW的能量發(fā)射是一系列192束激光實(shí)驗(yàn)中最近的一次，這也表明了該激光系統(tǒng)的可重復(fù)性。“NIF會(huì)定期在比原先性能更高的水平下運(yùn)行”實(shí)驗(yàn)室介紹道。 在一系列實(shí)驗(yàn)中，7月5日的實(shí)驗(yàn)總能量第三次超過(guò)1.8MJ。此前，科學(xué)家取得的最高激光發(fā)射能量是在7月3日的實(shí)驗(yàn)中，在423W的峰值功率下有超過(guò)1.89MJ的能量傳遞到靶丸。 今年三月的發(fā)射就已為7月5日的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)——激光系統(tǒng)傳送能量首次達(dá)到1.8MJ，伴隨411 TW的峰值功率。 “自20多年前被構(gòu)想以來(lái)，NIF裝置正逐漸向科學(xué)家們所規(guī)劃的激光聚變裝置靠攏”NIF主任Edward Moses在實(shí)驗(yàn)室聲明中說(shuō)，“它現(xiàn)在正全面投入運(yùn)作，科學(xué)家們也正朝著實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的目標(biāo)以及為國(guó)家安全及基礎(chǔ)科學(xué)研究的用戶群體提供實(shí)驗(yàn)渠道，最終實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期追尋的清潔核聚變能源而努力。” 建造NIF設(shè)施最主要的原因是實(shí)現(xiàn)以受控方式來(lái)模擬核爆炸產(chǎn)生的條件——從而取代地下核武器試驗(yàn)。此外，在激光系統(tǒng)所創(chuàng)建的極端環(huán)境下，科學(xué)家還可模擬恒星和巨大行星內(nèi)核的環(huán)境，進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)，為科學(xué)界提供大量此前無(wú)法獲取的數(shù)據(jù)。 “500TW的能量發(fā)射是NIF團(tuán)隊(duì)所取得的非凡成就，創(chuàng)造了迄今只存在于恒星內(nèi)部深處的前所未有的實(shí)驗(yàn)條件”，麻省理工學(xué)院高能密度物理部負(fù)責(zé)人Richard Petrasso在NIF的陳述中說(shuō)，“對(duì)于世界各地的科學(xué)家以及像我們這樣積極尋求極端條件下基礎(chǔ)科學(xué)和實(shí)驗(yàn)室聚變點(diǎn)火目標(biāo)的人來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一個(gè)振奮人心的非凡成就。” 除核能管理和科學(xué)研究中的應(yīng)用外，更長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)可作為未來(lái)聚變發(fā)電站的此類聚變系統(tǒng)。雖然這一目標(biāo)現(xiàn)在看來(lái)還遙不可及，必須克服一系列挑戰(zhàn)——用激光在10 Hz的左右的頻率射擊靶丸；采用可經(jīng)受反復(fù)激光聚爆和伴隨著核聚變中子轟擊的光學(xué)和其他組件；并能夠以較為合理的成本實(shí)現(xiàn)上述條件。
遭遇“滑鐵盧” 點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)未達(dá)預(yù)期效果 在投入超過(guò)50億興建面積相當(dāng)于露天足球場(chǎng)的巨型激光器后，美國(guó)能源部的核聚變點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有取得預(yù)期的效果。美國(guó)能源部寄希望于通過(guò)核聚變點(diǎn)火試驗(yàn)獲得足夠的能量或者模擬核爆炸的反應(yīng)過(guò)程。 最近一次的點(diǎn)火試驗(yàn)是在2012年的9月30日，但是該激光器日益增加的工藝挑戰(zhàn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原本的緊湊的時(shí)間表。 美國(guó)國(guó)會(huì)正考慮該工程是否將繼續(xù)下去，或者廢棄，或者減慢進(jìn)度以減少財(cái)政開(kāi)支。 利用激光引發(fā)核聚變反應(yīng)來(lái)獲得能量可追溯至數(shù)十年以前，但是利用激光核聚變研究核武器在1990年全球禁止在地下進(jìn)行核爆炸試驗(yàn)后就顯得尤為重要。 最新的激光設(shè)備在1997年至2009年建成，稱為美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火工程。通過(guò)192束激光束照射裝滿氫原子的目標(biāo)。由此產(chǎn)生的高壓和高溫是的原子與氦融合，產(chǎn)生熱核能量爆發(fā)。但是今年的技術(shù)評(píng)審發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家并沒(méi)有完全清楚反應(yīng)過(guò)程，以至于不能盡快的實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。 勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們，通過(guò)1000多次的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)工藝，包括點(diǎn)火世界最大的激光器，開(kāi)發(fā)卓越的檢測(cè)儀器測(cè)試高溫高壓下的反應(yīng)過(guò)程。雖然審計(jì)小組通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)，但是該項(xiàng)目仍將延后于預(yù)期。
來(lái)源：激光網(wǎng) |
