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2020年左右我国将演示实验室点火和热核燃烧

2011-11-21 10:01:19      来源: 科技日报    

  “自从上世纪60年代初激光器问世以后,中、美、日、前苏联等国即着手激光驱动惯性约束聚变研究,40多年来,该研究已取得重要进展,目前正处在实验室演示热核点火和燃烧前夕。”日前,刚从法国参加2011年惯性聚变科学与应用国际会议的中科院院士贺贤土在接受科技日报记者专访时表示。

贺贤土透露,美国国家点火装置(NIF)有望在明年进行点火演示,如果成功,则证明了惯性约束聚变(ICF)的科学可行性,这将是ICF研究的重要里程碑。同时,我国走了一条完全独立自主的ICF研究路线,预计2020年左右演示实验室点火和热核燃烧。

美国预计将在2012年实现实验室点火

热核聚变能源是人类理想的干净能源。目前,实现可控核聚变主要有两种技术途径。一种是用托卡马克装置开展“磁约束聚变”的研究,如国际热核聚变实验堆(ITER)计划;另一种就是ICF。ICF是利用高功率大能量驱动器(目前是激光器)提供能量,使含氘氚聚变燃料的靶丸发生内爆压缩和热核点火燃烧,释放高增益的聚变能。ICF研究除了应用于聚变能源之外,还可用于国防和基础科学研究。

“实现聚变能需要经历实验室演示热核点火和燃烧、聚变发电演示和商用发电3个阶段。”贺贤土介绍,近年来,随着大能量激光器的建造和发展,特别是美国NIF的建成,研究正处在ICF点火前夕。

2010年9月以来, 美国在NIF上进行了国家点火攻关(NIC)实验:用192束激光,在约20纳秒脉冲内,输出0.3微米波长激光能量1.0—1.4兆焦耳,入射到直径和长度各约1厘米左右柱形黑腔内壁产生高温辐射;同时高温辐射作用在腔内放置的初始半径约1毫米的氘氚靶丸烧蚀层表面,使靶丸产生内爆压缩和热核点火聚变。

贺贤土介绍,在本次大会上,美国国家聚变点火装置计划首席科学家约翰·林达综合报告了研究进展。在2010年9月到2011年9月财年的第一轮实验中,他们取得了过去50年ICF点火和热核燃烧探索以来的重要进展,包括取得了热斑内2微克氘氚燃料已达到增益为1的结果,具有里程碑意义。这一轮实验旨在了解点火过程流体力学等的分解研究,以掌握点火过程各种重要物理因素的数据和规律,为进一步演示实验室点火做准备。该团队认为他们已确认了达到点火的优化内爆的步骤。

据悉,从2011年10月到2012年3月,该研究团队将进行第二轮实验,并计划继续调整靶的性能,并提高激光能量到1.6兆焦,目标瞄准2012年实现实验室点火。

我国走了不同于美、法的自主研究路线

那么,我国ICF研究进展如何?其实,早在1964年,我国著名核物理学家王淦昌在国际上独立提出激光驱动聚变的建议,由此掀开了我国ICF研究的历史。

“我国的研究起步比较早,但由于种种原因一直到1993年纳入国家863计划后才有很大的发展。”作为国家863计划ICF主题专家组原首席科学家,贺贤土介绍,该计划规划了国家ICF发展目标,确定了激光驱动器和单元技术、靶物理理论、靶物理实验、精密诊断设备、靶的制备“五位一体”协调发展思路,各方面均取得重大进展,打破了西方垄断和封锁,建立了独立自主研究ICF体系,为2020年左右我国演示实验室点火和热核燃烧计划打下重要基础。

在本届大会上,贺贤土代表我国ICF研究团队作大会邀请报告,综合介绍了我国ICF研究物理理论和数值模拟、物理实验和高功率激光器方面的重要进展。

“我国独立自主走了完全不同于美、法的研究路线。美国是直接从万焦耳级能量靶物理研究结果定标推到能量大50—60倍NIF的兆焦耳激光器上进行点火演示。”贺贤土说,我国ICF点火研究采取的是一种从万焦耳级到十万焦耳级,再到百万焦耳级的循序渐进的路线图,即在近期万焦耳级激光器(神光Ⅲ原型、神光Ⅱ以及即将运行的神光Ⅱ升级装置上)研究基础上,到2014年左右进入激光能量20—40万焦耳神光Ⅲ平台研究。经过这一中间平台对靶物理进行充分研究,然后外推到激光能量约为神光Ⅲ能量4—5倍的神光Ⅳ上进行惯性约束聚变研究和点火演示,可以减少风险。这一路线选择也得到了国际同行的认可。

据悉,神光Ⅲ装置设计是48束激光,今年1月已出第一束激光,预计今年可安装完16束,计划2014年全部出光运行,进行物理实验。

惯性聚变能有望在本世纪中叶商用

“ICF研究经过近50年的努力和几次国际上大评审,总结了经验和教训,发展基本上是健康的。”贺贤土认为,从最近国际上进展来看,美国有可能在2012年左右实现实验室中点火演示,目前还没有发现物理和技术上不可逾越的重大障碍。但仍需充分重视深化靶物理研究,充分掌握各个主要环节的物理规律。

谈到科学可行性证明时,贺贤土说,能源用驱动器需要发射每秒约10次脉冲,每次脉冲需要达到像NIF那样的激光能量,美国代号“水星计划”的项目已有多年研究,目前中国、日本和法国也在积极研究。它涉及元器件关键技术、材料、排布等一系列复杂技术问题。从技术和经济角度看,目前其他驱动器(如准分子激光器、Z-Pinch装置、重离子束驱动器)还需作更大探索。

“惯性聚变能反应堆和电厂的建造和商业化,仍然需要工程上和经济上的论证和努力,但如果驱动器能解决,这些不是不可逾越的障碍。”贺贤土表示,展望本世纪中叶,人类有可能利用没有污染的惯性约束聚变能发电。(陈磊)

责任编辑: 代洁(实习生)