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國(guó)產(chǎn)熱核聚變走獨(dú)特自主路線(xiàn) 2020年實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)火
2011-11-22

       “自從上世紀(jì)60年代初激光器問(wèn)世以后,中、美、日、前蘇聯(lián)等國(guó)即著手激光驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變研究,40多年來(lái),該研究已取得重要進(jìn)展,目前正處在實(shí)驗(yàn)室演示熱核點(diǎn)火和燃燒前夕。”日前,剛從法國(guó)參加2011年慣性聚變科學(xué)與應(yīng)用國(guó)際會(huì)議的中科院院士賀賢土在接受科技日?qǐng)?bào)記者專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)表示。

       賀賢土透露,美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)有望在明年進(jìn)行點(diǎn)火演示,如果成功,則證明了慣性約束聚變(ICF)的科學(xué)可行性,這將是ICF研究的重要里程碑。同時(shí),我國(guó)走了一條完全獨(dú)立自主的ICF研究路線(xiàn),預(yù)計(jì)2020年左右演示實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)火和熱核燃燒。

  美國(guó)預(yù)計(jì)將在2012年實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)火

  熱核聚變能源是人類(lèi)理想的干凈能源。目前,實(shí)現(xiàn)可控核聚變主要有兩種技術(shù)途徑。一種是用托卡馬克裝置開(kāi)展“磁約束聚變”的研究,如國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃;另一種就是ICF。ICF是利用高功率大能量驅(qū)動(dòng)器(目前是激光器)提供能量,使含氘氚聚變?nèi)剂系陌型璋l(fā)生內(nèi)爆壓縮和熱核點(diǎn)火燃燒,釋放高增益的聚變能。ICF研究除了應(yīng)用于聚變能源之外,還可用于國(guó)防和基礎(chǔ)科學(xué)研究。

  “實(shí)現(xiàn)聚變能需要經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)室演示熱核點(diǎn)火和燃燒、聚變發(fā)電演示和商用發(fā)電3個(gè)階段?!辟R賢土介紹,近年來(lái),隨著大能量激光器的建造和發(fā)展,特別是美國(guó)NIF的建成,研究正處在ICF點(diǎn)火前夕。

  2010年9月以來(lái), 美國(guó)在NIF上進(jìn)行了國(guó)家點(diǎn)火攻關(guān)(NIC)實(shí)驗(yàn):用192束激光,在約20納秒脈沖內(nèi),輸出0.3微米波長(zhǎng)激光能量1.0—1.4兆焦耳,入射到直徑和長(zhǎng)度各約1厘米左右柱形黑腔內(nèi)壁產(chǎn)生高溫輻射;同時(shí)高溫輻射作用在腔內(nèi)放置的初始半徑約1毫米的氘氚靶丸燒蝕層表面,使靶丸產(chǎn)生內(nèi)爆壓縮和熱核點(diǎn)火聚變。

  賀賢土介紹,在本次大會(huì)上,美國(guó)國(guó)家聚變點(diǎn)火裝置計(jì)劃首席科學(xué)家約翰·林達(dá)綜合報(bào)告了研究進(jìn)展。在2010年9月到2011年9月財(cái)年的第一輪實(shí)驗(yàn)中,他們?nèi)〉昧诉^(guò)去50年ICF點(diǎn)火和熱核燃燒探索以來(lái)的重要進(jìn)展,包括取得了熱斑內(nèi)2微克氘氚燃料已達(dá)到增益為1的結(jié)果,具有里程碑意義。這一輪實(shí)驗(yàn)旨在了解點(diǎn)火過(guò)程流體力學(xué)等的分解研究,以掌握點(diǎn)火過(guò)程各種重要物理因素的數(shù)據(jù)和規(guī)律,為進(jìn)一步演示實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)火做準(zhǔn)備。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們已確認(rèn)了達(dá)到點(diǎn)火的優(yōu)化內(nèi)爆的步驟。

  據(jù)悉,從2011年10月到2012年3月,該研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)行第二輪實(shí)驗(yàn),并計(jì)劃繼續(xù)調(diào)整靶的性能,并提高激光能量到1.6兆焦,目標(biāo)瞄準(zhǔn)2012年實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)火。

  我國(guó)走了不同于美、法的自主研究路線(xiàn)

  那么,我國(guó)ICF研究進(jìn)展如何?其實(shí),早在1964年,我國(guó)著名核物理學(xué)家王淦昌在國(guó)際上獨(dú)立提出激光驅(qū)動(dòng)聚變的建議,由此掀開(kāi)了我國(guó)ICF研究的歷史。

  “我國(guó)的研究起步比較早,但由于種種原因一直到1993年納入國(guó)家863計(jì)劃后才有很大的發(fā)展?!弊鳛閲?guó)家863計(jì)劃ICF主題專(zhuān)家組原首席科學(xué)家,賀賢土介紹,該計(jì)劃規(guī)劃了國(guó)家ICF發(fā)展目標(biāo),確定了激光驅(qū)動(dòng)器和單元技術(shù)、靶物理理論、靶物理實(shí)驗(yàn)、精密診斷設(shè)備、靶的制備“五位一體”協(xié)調(diào)發(fā)展思路,各方面均取得重大進(jìn)展,打破了西方壟斷和封鎖,建立了獨(dú)立自主研究ICF體系,為2020年左右我國(guó)演示實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)火和熱核燃燒計(jì)劃打下重要基礎(chǔ)。

  在本屆大會(huì)上,賀賢土代表我國(guó)ICF研究團(tuán)隊(duì)作大會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告,綜合介紹了我國(guó)ICF研究物理理論和數(shù)值模擬、物理實(shí)驗(yàn)和高功率激光器方面的重要進(jìn)展。

  “我國(guó)獨(dú)立自主走了完全不同于美、法的研究路線(xiàn)。美國(guó)是直接從萬(wàn)焦耳級(jí)能量靶物理研究結(jié)果定標(biāo)推到能量大50—60倍NIF的兆焦耳激光器上進(jìn)行點(diǎn)火演示?!辟R賢土說(shuō),我國(guó)ICF點(diǎn)火研究采取的是一種從萬(wàn)焦耳級(jí)到十萬(wàn)焦耳級(jí),再到百萬(wàn)焦耳級(jí)的循序漸進(jìn)的路線(xiàn)圖,即在近期萬(wàn)焦耳級(jí)激光器(神光Ⅲ原型、神光Ⅱ以及即將運(yùn)行的神光Ⅱ升級(jí)裝置上)研究基礎(chǔ)上,到2014年左右進(jìn)入激光能量20—40萬(wàn)焦耳神光Ⅲ平臺(tái)研究。經(jīng)過(guò)這一中間平臺(tái)對(duì)靶物理進(jìn)行充分研究,然后外推到激光能量約為神光Ⅲ能量4—5倍的神光Ⅳ上進(jìn)行慣性約束聚變研究和點(diǎn)火演示,可以減少風(fēng)險(xiǎn)。這一路線(xiàn)選擇也得到了國(guó)際同行的認(rèn)可。

  據(jù)悉,神光Ⅲ裝置設(shè)計(jì)是48束激光,今年1月已出第一束激光,預(yù)計(jì)今年可安裝完16束,計(jì)劃2014年全部出光運(yùn)行,進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。

  慣性聚變能有望在本世紀(jì)中葉商用

  “ICF研究經(jīng)過(guò)近50年的努力和幾次國(guó)際上大評(píng)審,總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),發(fā)展基本上是健康的?!辟R賢土認(rèn)為,從最近國(guó)際上進(jìn)展來(lái)看,美國(guó)有可能在2012年左右實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室中點(diǎn)火演示,目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)物理和技術(shù)上不可逾越的重大障礙。但仍需充分重視深化靶物理研究,充分掌握各個(gè)主要環(huán)節(jié)的物理規(guī)律。

  談到科學(xué)可行性證明時(shí),賀賢土說(shuō),能源用驅(qū)動(dòng)器需要發(fā)射每秒約10次脈沖,每次脈沖需要達(dá)到像NIF那樣的激光能量,美國(guó)代號(hào)“水星計(jì)劃”的項(xiàng)目已有多年研究,目前中國(guó)、日本和法國(guó)也在積極研究。它涉及元器件關(guān)鍵技術(shù)、材料、排布等一系列復(fù)雜技術(shù)問(wèn)題。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度看,目前其他驅(qū)動(dòng)器(如準(zhǔn)分子激光器、Z-Pinch裝置、重離子束驅(qū)動(dòng)器)還需作更大探索。

  “慣性聚變能反應(yīng)堆和電廠(chǎng)的建造和商業(yè)化,仍然需要工程上和經(jīng)濟(jì)上的論證和努力,但如果驅(qū)動(dòng)器能解決,這些不是不可逾越的障礙?!辟R賢土表示,展望本世紀(jì)中葉,人類(lèi)有可能利用沒(méi)有污染的慣性約束聚變能發(fā)電。

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