雷射核聚變

雷射核聚變

雷射核聚變(laser nuclear fusion)是以高功率雷射作為驅動器的慣性約束核聚變。在探索實現受控熱核聚變反應過程中,隨著雷射技術的發展,1963年蘇聯科學家N.巴索夫和1964年中國科學家王淦昌分別獨立提出了用雷射照射在聚變燃料靶上實現受控熱核聚變反應的構想,開闢了實現受控熱核聚變反應的新途徑雷射核聚變。雷射核聚變要把直徑為1毫米的聚變燃料小球均勻加熱到1億度,雷射器的能量就必須大於1億焦,這在 技術上是很難做到的。直到1972年美國科學家J.納科爾斯等人提出了向心 爆聚原理以後,雷射核聚變才成為受控熱核聚變研究中與磁約束聚變平行發展的研究途徑。

簡介

雷射核聚變雷射核聚變

由於雷射核聚變與氫彈的爆炸在許多方面非常相似,所以,20世紀60年代,當雷射器問世以後,科學家就開始致力於利用高功率雷射使聚變燃料發生聚變反應,來研究核武器的某些重要物理問題。

氘、氚等較輕元素的原子核相遇時,聚合為較重的原子核,並釋放出巨大能量的過程稱為核聚變。人工控制的持續聚變反應可分為磁約束核聚變和慣性約束核聚變兩大類。後者又可分為雷射核聚變、粒子束核聚變和電流脈衝核聚變3類。 

雷射核聚變主要有3種用途:一是可為人類找到一種用不完的清潔能源,二是可以研製真正的“乾淨”核武器,三是可以部分代替核試驗。

軍事套用

雷射核聚變在軍事上的重要用途之一是發展新型核武器,特別是研製新型氫彈。因為通過高能雷射代替核子彈作為氫彈點火裝置實現的核聚變反應,可以產生與氫彈爆炸同樣的電漿條件,為核武器設計提供物理學數據、檢驗有關計算程式,進而製造出新型核武器,成為戰爭新的“殺手”。

早在20世紀50年代,氫彈就已研製成功並裝備部隊。但氫彈均是以核子彈作為點火裝置的。核子彈爆炸會產生大量的放射性物質,所以這類氫彈被稱為“不乾淨的氫彈”。

採用雷射作為點火源後,高能雷射直接促使氘氚發生熱核聚變反應。這樣,氫彈爆炸後,就不產生放射性裂變產物,所以,人們稱利用雷射核聚變方法製造的氫彈為“乾淨的氫彈”。傳統的氫彈屬於第二代核武器,而“乾淨的氫彈”則屬於第四代核武器。它的發展不受《全面禁止核試驗條約》的限制。由於不會產生剩餘核輻射,因此,它可以作為“常規武器”使用。

一旦雷射核聚變技術成熟,製造乾淨氫彈的成本將是比較低的。這是因為不僅核聚變的燃料氘幾乎取之不盡,而且,雷射核聚變還能使熱核聚變反應變得更加容易。通過雷射核聚變,可以在實驗室內模擬核武器爆炸的物理過程及爆炸效應,模擬核武器的輻射物理、內爆動力學等,為研究核武器物理規律提供依據,這樣就可以在不進行核試驗的條件下,繼續擁有安全可靠的核武器,改造現有核彈頭,並保持核武器的研究和發展能力。此外,雷射核聚變還具有可多次重複、便於測試、節省費用等優點。

研究進展

就模擬核試驗技術總體而言,美國仍居世界領先地位。美國不僅擁有世界上最大的“諾瓦”雷射器、世界上功率最大的X射線模擬器,而且,早在1998年,美國能源部就開始在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室啟動“國家點火裝置工程”。這項軍民兩用的高能雷射核聚變研究工程計畫於2003年投入運行,總投資為22億美元。其中的20台雷射發生器是研究工作的大型關鍵設備。2012年美國國家點火裝置(NationalIgnitionFacility,NIF)將產生世界上最大的雷射束,用來爆聚(implode,從內部引爆)一個氫同位素標靶,觸發核聚變,產生的能量將比輸入的多得多。NIF的管理人員認為,為了達至臨界點或者說“點燃反應堆”,他們進行了兩年的工作,現在可以說是勝利在望。項目主管艾德•摩西(EdMoses)表示:“我們完全有能力在2012財政年度內取得成功。”

法國雷射核聚變研究以軍事化為主要目標。為確保法國 T N-75和 T N-81核彈頭能始終處於良好狀態,早在1996年,法國原子能委員會就與美國合作實施一項龐大的模擬計畫——— “兆焦雷射計畫”,即高能雷射計畫,預計2010年前完成,經費預算達17億美元。其主要設施———240台雷射發生器建造在紀龍德省。這些雷射發生器可在20納秒內產生1.8兆焦能量,產生240束雷射,集中射向一個含有少量氘、氚的直徑為毫米的目標,從而實現雷射核聚變。

20世紀70年代,日本就投入了大量財力、人力和物力進行雷射核聚變研究。1998年,日本研製成功了核聚變反應堆上部螺鏇線圈裝置( L H D)和高達 15米的複雜真空頭,標誌著日本已突破建造大型核聚變實驗反應堆的技術難點。

中國著名物理學家王淦昌院士1964年就提出了雷射核聚變的初步理論,從而使中國在這一領域的科研工作走在當時世界各國的前列。1974年,中國採用一路雷射驅動聚氘乙烯靶發生核反應,並觀察到氘氘反應產生的中子。此外,著名理論物理學家于敏院士在20世紀70年代中期就提出了雷射通過入射口、打進重金屬外殼包圍的空腔、以X光輻射驅動方式實現雷射核聚變的概念。1986年,中國雷射核聚變實驗裝置“神光”研製成功。

相關知識

核聚變是指由質量小的原子,主要是指氘或氚,在一定條件下(如超高溫和高壓),發生原子核互相聚合作用,生成新的質量更重的原子核,並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。原子核中蘊藏巨大的能量,原子核的變化(從一種原子核變化為另外一種原子核)往往伴隨著能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核,叫核裂變,如核子彈爆炸;如果是由輕的原子核變化為重的原子核,叫核聚變,如太陽發光發熱的能量來源。

相比核裂變,核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環境問題,而且其原料可直接取自海水中的氘,來源幾乎取之不盡,是理想的能源方式。

人類已經可以實現不受控制的核聚變,如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用,必須能夠合理的控制核聚變的速度和規模,實現持續、平穩的能量輸出。科學家正努力研究如何控制核聚變,但是現在看來還有很長的路要走。

主要的幾種可控核聚變方式:
1、超音波核聚變

2、雷射約束(慣性約束)核聚變

3、磁約束核聚變(托卡馬克)

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