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能源环境新闻

美俄日法四国激光核聚变最新进展及差异分析

星之球科技来源:上海光机所2013-10-23我要评论(0)

近日,第8届惯性聚变科学与应用国际会议(IFSA2013)在日本奈良召开。会议报道了激光聚变方面国际上的最新研究进展。 以Ed. Moses为代表的美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室研...

近日,第8届惯性聚变科学与应用国际会议(IFSA2013)在日本奈良召开。会议报道了激光聚变方面国际上的最新研究进展。

  以Ed. Moses为代表的美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研究团队报告了他们的最新研究进展。在2008年11月到2013年6月4日这四年多时间里,NIF打靶的总发次达到了1288次。通过这些实验,大大加强了对聚变物理的认识。2013年8月进行的最新实验中,利用NIF装置的1.7MJ的三倍频激光能量获得了3×10^15的中子产额,如果以能量计算,聚变反应输出能量约为8kJ。这表明在NIF上的激光聚变实验已接近α粒子加热(定义为中子产额翻倍)并接近实现激光聚变的科学意义上的得失相当(scientific break-even,定义为聚变输出能和聚变燃料得到的能量之比,按目前NIF上间接驱动聚变的实验条件,科学意义上的得失相当意味着聚变输出能量约为10.3kJ)。在这一实验中内爆速度为310km/s,ρR=0.85g/cm2,他们计划沿这一研究思路,实现内爆速度380km/s,ρR=1 g/cm2。

图一

  同时,间接驱动物理诊断能力得到了极大提升。利用10keV X射线背光成像得到了赤道和轴向靶丸内爆形状。利用中子成像的能量分辨可将热斑区域从整个燃料区分离开来。

  其他研究包括为解决P2和P4不对称性,提出了充气和近真空两种黑腔设计方案,其中短脉冲、近真空黑腔实验取得了很好结果;为了使驱动激光脉冲缩短到5ns左右,考虑使用高密度金刚石(碳)烧蚀材料;橄榄形黑腔的设计逐渐成熟。

法国LMJ将追随NIF的脚步进行核爆模拟研究。按照设计LMJ装置将由 240路束线构成,计划先完成176路的安装。LMJ装置将提供3ns到25ns的三倍频激光,激光总能量大于1.3MJ,总功率超过400TW。PETAL装置建在LMJ附近,将与LMJ共同实验。按照设计,PETAL装置输出脉宽为0.5~10ps的短脉冲激光光束,能量高达3kJ,靶面聚集功率可达10^20W/cm2。在7ps处的对比度达到10^-7。目前,LMJ装置的所有激光组件和系统已经通过检验,满足设计要求,全部176路激光束线已经完成安装。大部分诊断设备也安装到靶区。PETAL装置的前端和压缩部分已经通过检验,放大器部分已经完成安装。LMJ计划2014年开始用于实验,PETAL计划2016年开始用于实验。

  俄罗斯计划于2020年建成两倍频2.8MJ,192路的激光装置UFL-2M,用于直接驱动激光聚变研究。

  罗彻斯特大学研究团队介绍了其在直接驱动激光聚变方面的进展,指出直接驱动的4个主要挑战为,内爆速度、流体不稳定性、对称性(这是针对极驱动的)和高能电子的预加热。

  国际激光聚变能源研究得到加强,并逐渐形成共识。ED. Moses, C. Edwards,Azechi等对美国、欧盟、日本、俄国等的聚变能源计划进行了介绍。

  美国强调:作为美国能源长期研发计划的一部分,建立惯性聚变能源研发计划是十分必要的。

  HiPPER希望(和LIFE等一起)架起连接点火和商业化聚变电站的桥梁。HiPPER是欧洲研究装置战略论坛(ESFRI, European Strategy Forum on Research Infrastructures)的一个计划,目前HiPPER 计划得到团队建设(community building)方面的资助(STFC),ESFRI能源委员会正在对HiPPER计划进行评估。HiPPER已经开始对聚变靶室的屏蔽和遥控、第一壁保护和相关材料、氚增殖、系统模拟等进行全方位研究。

日本重点进行以快点火方案为主的激光聚变研究,计划于2020年利用FIREX-II实现点火燃烧,2030年实现电力输出。这次会议上有多个报告强调其在已有金锥快点火方案基础上的改进,即利用外加的强磁场来约束,引导超热电子的传输,以更好地实现快点火。

  在会议上,激光聚变的许多其他问题,如纳秒、皮秒和飞秒激光器的建造,激光等离子体相互作物理的各个方面、各种诊断技术的发展,新的聚变方案等也得到广泛讨论。

  2013年5月19~22日,由中科院上海光机所和美国国际光学工程协会(SPIE)联合主办的第二届“环太激光损伤——高功率激光光学材料”专题研讨会(2013 Pacifi-Rim Laser Damage-Optical Materials for High Power Laser)在上海嘉定举行,参会人数较第一届明显增加。会议围绕紫外-红外高功率激光损伤,激光切割和加工,缺陷、污染、抛光和表面损伤,表征技术和测量方法,高损伤阈值薄膜,非线性激光晶体,激光陶瓷,光学玻璃与光纤等8个议题展开。本届会议得到了参会代表的高度评价,为环太平洋地区乃至全世界范围的相关科技领域科研人员开展学术交流提供了良好平台,拓展了与国内外知名科研单位的合作机会,进一步扩大了我国在高功率激光损伤与光学材料领域的国际影响力。

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