中国最神秘惯性约束核聚变激光驱动装置揭秘

--惯性约束核聚变激光驱动装置-------------------------工程总投资:-
工程期限:1980年--2030年
"激光"一词是"LASER"的意译。LASER原是Light amplification bystimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词,在我国曾被翻译成"莱塞"、"光激射器"、"光受激辐射放大器"等。

1964年,钱学森院士提议取名为"激光",既反映了"受激辐射"的科学内涵,又表明它是一种很强烈的新光源,贴切、传神而又简洁,得到我国科学界的一致认同并沿用至今。

世界第一台激光器问世是在1960年6月,中国第一台激光器是在1961年9月。

从1961年中国第一台激光器宣布研制成功至今,我国形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光科技领域,并在产业化上取得可喜进步,可以说,在起步阶段我国的激光技术发展迅速,无论是数量还是质量,都和当时国际水平接近,一项创新性技术能够如此迅速赶上世界先进行列,在我国近代科技发展史上并不多见。

这些成绩的取得,尤其是能够把物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件,主要得力于我国多年来在技术光学、精密机械和电子技术方面积累的综合能力和坚实基础。
我国早期激光技术的发展
1957年,王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所--中国科学院长春光学精密仪器机械研究所(简称"长春光机所")。

在老一辈专家带领下,一批青年科技工作者迅速成长,邓锡铭是其中的突出代表。早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发表不久,他便积极倡导开展这项新技术研究,在短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍,提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。

1960年世界第一台激光器问世。1961年夏,在王之江主持下,我国第一台红宝石激光器研制成功。此后短短几年内,激光技术迅速发展,产生了一批先进成果。

各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术(如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等)纷纷提出并获得实施,其中不少具有独创性。

同时,作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源,激光很快应用于各技术领域,显示出强大的生命力和竞争力。通信方面,1964年9月用激光演示传送电视图像,1964年11月实现3~30公里的通话。

工业方面,1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产,获得显著经济效益。医学方面,1965年6月激光视网膜焊接器进行了动物和临床实验。国防方面,1965年12月研制成功激光漫反射测距机(精度为10米/10公里),1966年4月研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。

我国各类激光器的"第一台"
第一台固体红宝石激光器 1961年9月 王之江等
第一台He-Ne激光器 1963年7月 邓锡铭等
第一台掺钕玻璃激光器 1963年6月 干福熹等
第一台GaAs同质结半导体激光器 1963年12月 王守武等
第一台脉冲Ar+激光器 1964年10月 万重怡等
第一台CO2分子激光器 1965年9月 王润文等
第一台CH3I化学激光器 1966年3月 邓锡铭等
第一台YAG激光器 1966年7月 屈乾华等

激光技术的发展中国激光科技从一开始就得到了国家的高度重视。1964年,中国科学院上海光学精密机械研究所(简称"上海光机所")成立。1964年国家启动"6403"高能钕玻璃激光系统,建成了具有工程规模的大口径(120毫米)振荡-放大型激光系统,最大输出能量达32万焦耳;改善光束质量后达3万焦耳。

成功地进行了打靶实验,室内10米处击穿80毫米铝靶,室外2公里距离击穿0.2毫米铝耙,并系统地研究了强激光辐射的生物效应和材料破坏机理。

最后从技术上判定热效应是根本性技术障碍,于1976年下马。这一项目使我国激光技术科研水平上了一个台阶。
中国核科学奠基人--王淦昌院士,和中国应用光学奠基人--王大珩院士
高功率激光和核聚变研究
1964年王淦昌独立提出激光聚变倡议,1965年立项开始研究。

经几年努力,建成了输出功率100亿瓦的纳秒级激光装置,并于1973年5月首次在低温固氘靶、常温氘化锂靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研制成功我国第一台多程片状放大器,把激光输出功率提高了10倍,中子产额增加了一个量级。

在国际上向心压缩原理解密后,积极跟踪并于1976年研制成六束激光系统,对充气玻壳靶照射,获得了近百倍的体压缩。这一系列的重大突破,使我国的激光聚变研究进入世界先进行列,也为以后长期的持续发展奠定了基础。我国的激光科技事业,虽然也遭遇了"文革"十年浩劫,但借助于重点项目的支撑,仍艰难地生存了下来并取得了可贵的进展。

改革开放后,我国激光技术获得了空前发展的机遇。1980年5月,分别在上海、北京举行了第一次国际激光会议,与会代表218人(国外66人),邓小平同志亲切接见了与会中外代表。1983年在广州和1986年在厦门又举行了第二次、第三次国际会议,改变了我国的激光技术多年来封闭运转的局面,开始走向世界。

先后成立了一批国家重点实验室、开放实验室、国家工程研究中心和产学研组织。在多项国家级战略性科技计划中,激光技术受到重视。

"863"计划七大领域中有激光技术和光电子技术(包括用于信息领域的激光技术),1995年又增列了"惯性约束聚变"主题。国防预研光电子技术作为跨部门项目正式立项,其中也包括激光技术。国家"六五"和"七五"攻关计划,激光技术被列为重大项目。
惯性约束聚变激光驱动器

人类的能源从根本上说来自核聚变反应,即发生在太阳上的"轻核聚变"。人类已经在地球上实现了不可控的热核反应,即氢弹爆炸。要获得取之不尽的新能源,必须使这一反应在可控条件下持续地进行。为实现可控核聚变有两种方法,一是科学家们用托卡马克装置开展"磁约束聚变"的研究。

另一条技术路线于20世纪60年代初提出的"激光惯性约束核聚变"。惯性约束核聚变( Inertial Confined Fusion ICF)的基本原理是:使用强大的脉冲激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸上,在瞬间产生极高的高温和极大的压力,被高度压缩的稠密等离子体在扩散之前,向外喷射而产生向内聚心的反冲力,将靶丸物质压缩至高密度和热核燃烧所需的高温,并维持一定的约束时间,完成全部核聚变反应,释放出大量的聚变能。

然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。首先要有1亿度左右的高温;其次,参与反应的粒子密度要足够高并能维持一定的反应时间,即‘nτ'值要达到1百万亿(秒/厘米3)以上,这就是著名的劳逊判据。一些国家的实验室已经在这类激光装置上作了大量的基础研究工作。

美国、法国等已着手建造更大规模的巨型激光器,期望能够实现激光热核"点火"。
我国从上世纪60年代即开始惯性约束聚变的研究,在王淦昌、王大珩的指导下,中国科学院和中国工程物理研究院从80年代开始联合攻关,上海光机和长春光机都是协作单位。六十年代初,我国激光聚变研究刚刚起步的时候,钱学森院士就形像地指出:你们的事业是在地球上人造一个小太阳!

ICF研究中关键设备是大功率的激光器。
神光-Ⅰ
1964年,我国著名核物理学家王淦昌院士 独立地提出激光聚变思想,并建议了具体方案.按照这一创议,在我国第一个激光专业研究所-中国科学院上海光机所开始了高功率激光驱动器的研制和应用并于 1971年获得氘-氘碰撞中子.

1978年中国工程物理研究院和中国科学院携手合作, ICF研究进入了全面发展的新阶段。近廿年来, 致力于研制和应用钕玻璃激光驱动器-"神光"系列装置, 取得了显著进展, 推动了我国惯性约束聚变实验和理论研究,并在国际上占有一席之地。

1977年,上海光机所利用1千亿瓦的6束激光系统装置,对充气玻壳靶照射获得了近百倍的体压缩。

使我国的激光聚变研究进入了逐级论证向心聚爆原理的重要发展阶段,为以后长期的持续发展奠定了基础。1980年,王淦昌提出建造脉冲功率为1万亿瓦固体激光装置的建议,称为激光12号实验装置(神光I)。激光12号实验装置是建立在中国科学院上海光机所的一台大型高功率激光实验装置,位于上海市嘉定区清河路390号光机所内,1983年由上海光机所设计,总建筑面积4612平方米,为4层钢筋混凝土框架结构,总高度15米。

该装置输出两束口径为200mm的强光束,每束激光的峰功率达1万亿瓦,脉冲宽度有1ns和100ps两种,波长为1.053μm的红外光,可倍频到0.

53μm绿光。实验室内配有物理实验靶室及全套诊断测量设备,能开展激光加热与压缩等离子物理现象的研究和激光X光谱等基础研究工作。
1985年7月,激光12号装置按时建成并投入试运行。试运行中成功地进行了三轮激光打靶试验,取得了很有价值的结果,达到了预期目标。

该装置是中国规模最大的高功率钕玻璃激光装置,在国际上也是为数不多的大型激光工程。它由激光器系统、靶场系统、测量诊断系统和实验环境工程系统组成。

输出激光总功率达1万亿瓦量级,而激光时间只有一秒钟的十亿分之一到百亿分之一。可用透镜聚焦到50毫微米的尺寸上,能产生10万亿亿瓦/厘米2的功率密度。将这样的光束聚焦在物质的表面,可以产生上千万度的高温,并由此产生强大的冲击波和反冲击压力。

该装置的高精度靶场系统,能适应0.1毫米量级的微球靶、黑洞靶、台阶靶、各类X光靶等多种靶型的实验需要,并具有单束、双束及两路并束激光打靶的功能,为进行激光核聚变新能源研究及其他多种物理研究得供了重要实验手段。

1987年6月通过国家级的鉴定。
它的建成为进行世界前沿领域的激光物理试验提供了有利的手段,对尖端科研和国民经济建设均具有重要意义。1986年夏天,张爱萍将军为激光12号实验装置亲笔题词"神光"。于是,该装置正式命名为神光-Ⅰ。1989年起,神光I直接驱动获5000000中子产额,间接驱动获10000中子产额,冲击波压强达0.8TPa,获近衍射极限类氖锗X光激光增益饱和。

1990年,神光I获得国家科技进步奖一等奖。
神光-Ⅱ
1993年,国家"863"计划确立了惯性约束聚变主题,进一步推动了国家惯性约束聚变研究和高功率激光技术的发展。1994年,神光-Ⅰ退役。

神光-Ⅰ连续运行8年,在激光惯性约束核聚变和X射线激光等前沿领域取得了一批国际一流水平的物理成果。1994年5月18日,神光Ⅱ装置立项,工程正式启动,规模比神光-Ⅰ装置扩大4倍。
神光Ⅱ装置采用了国产高性能元器件,独立自主解决了一系列的科学技术难题,达到国际最先进的高功率固体激光驱动器水平,实现我国这一领域新的跨越。

该系统由激光器系统、靶场系统、能源系统、光路自动准直系统、激光参数测量系统以及环境、质量保障等系统组成,集成了数百台套的各类激光单元或组件,在空间排成8路激光放大链,技术参数与当今世界上最先进的在运行的美国OMEGA装置相当。

2000年,神光Ⅱ装置8路基频功率达到8万亿瓦,开始试运行打靶。2000年起,直接驱动获40亿中子产额,间接驱动获1亿中子产额,直接驱动冲击波压强达1.5TPa,间接驱动冲击波压强达3.7TPa。2001年8月,神光Ⅱ装置建成,总输出能量达到6千焦耳/纳秒,或8万亿瓦/100皮秒,总体性能达到国际同类装置的先进水平。

"神光Ⅱ"的数百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内。神光Ⅱ能同步发射8束激光,在约150米的光程内逐级放大:每束激光的口径能从5毫米扩为近240毫米,输出能量从几十个微焦耳增至750焦耳/束。

当8束强激光通过空间立体排布的放大链聚集到一个小小的燃料靶球时,在十亿分之一秒的超短瞬间内可发射出相当于全球电网电力总和数倍的强大功率,从而释放出极端压力和高温,辐照充满热核燃料气体的玻璃球壳,急速压缩燃料气体,使它瞬间达到极高的密度和温度,从而引发热核聚变。

神光Ⅱ已实现"全光路自动准值定位",实验中能及时纠正因震动和温度变化而带来的仪器微偏,使输出激光经聚焦后可精确穿过一个约0.3毫米的小孔,仅比一根头发丝略粗一点。
判断超短超强激光系统的性能有两个重要技术指标:一是时间尺度,二是输出功率。

2004年4月,神光Ⅱ装置成功突破100万亿瓦大关,输出峰值功率达到120万亿/36飞秒。目前,国际上只有少数发达国家的著名实验钛宝石激光装置输出功率超过100万亿瓦。这意味着神光Ⅱ在1000万亿分之36秒的超短瞬间内,迸发出相当于全球电网发电总和数十倍的强大功率。

这种极端物理条件,自然界中只有在核爆中心、恒星内部和宇宙黑洞边缘才能存在。上海光机所强光光学重点实验室科技人员屡屡刷新这两大指标,在不到10平方米的光学平台上创造出一次又一次"更快更强"的奇迹。

2006年4月13日,神光Ⅱ装置新添的第9束激光输出能量打破纪录,较此前提高了5.8倍,第9路光束口径,由前8路的每束190毫米增至310毫米,单路能量输出达5100焦耳,离为核聚变"点火"更近一步。

神光Ⅱ的主放大系统
截至2006年,神光Ⅱ装置已经累计提供运行打靶3000多发次。开展了惯性约束聚变、X光激光等研究约30轮物理实验,获得具有十分重要意义的结果。其中激光惯性约束直接驱动打靶,获得单发40亿中子,是国际同类装置获中子产额的最好水平。

开展的物理实验为我国ICF研究做出了重大贡献,标志着我国激光惯性约束实验已经真正跃上了一个短波长、大功率激光打靶的新阶段,对提高综合国力具有重要意义。
不论是国外还是国内,巨型激光驱动器都是综合国力的反映,能够代表一个国家在这一领域的科技水平。它的研制对相关科学技术有重大的带动作用。

神光Ⅱ装置的研制不仅为即将建造的下一代激光装置提供极为宝贵的科学技术经验,而且带动了我国材料科学(激光玻璃、激光晶体、非线性晶体)、精密光学加工与检验(λ/10高平面度、低粗糙度、大口径光学元件研磨技术、金刚石车床飞刀切削大口径KDP晶体技术)、介质膜和化学膜层技术、高质量大口径氙灯工艺、精密机械和装校工艺及高压电能源系统、快速电子学、控制电子学、二元光学技术等相关学科或技术的跨越式发展。

而这些相关学科技术在国民经济中的应用前景将是相当可观的。

神光-Ⅲ
1995年,激光惯性约束核聚变在"863计划"中立项,我国科研人员开始研制跨世纪的巨型激光驱动器--"神光-Ⅲ"装置,计划建成十万焦耳级的激光装置。

2007年2月4日,中物院神光Ⅲ激光装置实验室工程举行了盛大的开工奠基仪式。该工程位于绵阳中国工程物理研究院内,建筑面积28154m2,平面布置:呈长方形布置,建筑物总长178m,总宽75m,建筑结构十分复杂。

规划中的"神光-Ⅲ"装置是一个巨型的激光系统,比当前世界最大的NOVA装置还要大一倍多。原计划它具有60束强光束,紫外激光能量达60KJ,质量和精密性要达到廿一世纪的国际先进水平,现在该计划可能已经进一步修改,以提高能量规模。惯性约束聚变点火工程(2020年)被已确定为《国家中长期科学和技术发展规划》的十六项重大专项之一。

目前,神光-Ⅲ原型装置"十五"建设目标已圆满完成,达到"8束出光,脉冲-万焦耳"的水平,标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家,使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。

神光Ⅲ装置是世纪之交我国历史上光学领域最宏伟的科学工程,必将全面带动相关科学技术攀登世界水平,是我国综合国力在科技领域的标志性体现,其作用和意义不亚于当年的"两弹"。

这是挑战也是机遇,在王淦昌、王大珩、于敏等老一辈科学家带领下,已奋斗了三十多年,取得瞩目成果,而这只不过是序幕,需要几代人的不懈努力。根据规划,我国在2010年前后还将研制"神光IV"核聚变点火装置。
神光 加工好的Φ380mm成品晶片
我国激光核聚变大事记

1964年,王淦昌提出了研究激光聚变的倡议。1965年,上海光机所开始用高功率钕玻璃激光产生激光聚变的研究。
1973年5月,上海光机所建成两台功率达到万兆瓦级的高功率钕玻璃行波放大激光系统。
1974年,上海光机所研制成功毫微秒10万兆瓦级6路高功率钕玻璃激光系统,激光输出功率提高了10倍。

1980年,王淦昌提出建造脉冲功率为1万亿瓦固体激光装置的建议,称为激光12号实验装置。

1987年6月27日,神光I通过了国家级鉴定。
1994年,神光I退役,神光I连续运行8年。
1994年5月18日,神光Ⅱ装置立项,工程正式启动。
2001年8月,神光Ⅱ装置建成,总体性能达到国际同类装置的先进水平。

2007年2月4日,中物院神光Ⅲ激光装置实验室工程举行了开工奠基仪式。
美国国家点火装置(NIF)
美国国家点火装置(NIF)是是与"神光"计划一样的工程,由位于美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室研制。

该计划自1994年开工以来延期了很多次,它最终的目标是2010年实现聚变反应,并达到平衡点,即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量。该计划建造和运行花费超过35亿美元,容纳NIF装置的建筑物长215米,宽120米,相当于三个足球场。

美国国家点火装置的实验过程为:先将外部激光增强10000倍,然后将一束激光分离为48束激光,再增强,进一步分离为192束激光,其总能量增加到原来能量的3000万亿倍,再聚焦到直径为3毫米的氘氚小丸上,产生1亿度的高温,压力超过1000亿个大气压,进而引发核聚变。

每束激光发射出持续大约十亿分之三秒、蕴涵180万焦耳能量的脉冲紫外光--这些能量是美国所有电站产生的电能的500倍还多。当这些脉冲撞击到目标反应室上,它们将产生X光。这些X光会集中于位于反应室中心装满重氢燃料的一个塑料封壳上。

X光将把燃料加热到一亿度,并施加足够的压力使重氢核生聚变反应。释放的能量将是输入能量的15倍还多。这是因为激光在镜面之间来回反射,并通过3000块磷酸盐玻璃,其中的钛原子会使激光束扩大。利弗莫尔有850名科学家和工程师。

另外大约有100名物理学家在那里设计实验。NIF的问题是它的激光每几小时只能发射一次。Mercury激光的方案已经在计划中。它不一定比NIF更大,它的目标是每秒钟发射10次脉冲。
NIF激光试验与靶区建设的规模相当于3个足球场
国际上已投入运行的激光器和计划建造的巨型装置,归纳为下列两表。

激光装置国家及实验室 输出能量 束数 建成时间
GEKKO-XII日本大阪大学ILE 15KJ/3ω 12 1983
PHEBUS法国里梅尔实验室 10KJ/3ω 2
VULCAN英国卢瑟福实验室 2KJ/3ω 8
HELEN英国原子武器中心 1KJ/1ω 1
NOVA美国里弗莫尔实验室 40KJ/3ω 10 1984
OMEGA美国罗彻斯特大学LLE 30KJ/3ω 60 1995
Beamlet美国里弗莫尔实验室6.

4KJ/3ω 1 1994
计划建造的巨型钕玻璃激光装置
装置名称国家及实验室 能量/波长 束数 预定进度
NIF美国里弗莫尔 1.

8MJ/3ω 192 2002
MLF法国核武器所 1.8MJ/3ω 240 2005
100-TW英国武器中心>100KJ/3ω 32
日本大阪大学 >100KJ/3ω 尚未批准