多维视角
聚变动态
发布时间： 2010-02-06 | 作者：毛黎 来源： 科技日报
终端光学检查系统
激光照射靶件时，辐射空腔两端的光线情况示意图
美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）的研究人员表示，首批完成的试验显示，借助独特的物理效应，他们能为实现自持（self-sustaining）核聚变反应提供核聚变点火所需的条件。
在NIF惯性约束核聚变试验中，192束高能激光束的能量可聚集于橡皮擦大小的圆柱形黑体辐射空腔，空腔中装有充着氘和氚（氢的两种同位素）的微小球形靶件（核聚变燃料靶件）。激光能量在黑体辐射空腔内转换成X射线轰击靶件，靶件在X射线的作用下外层发生熔化并快速内向压缩，其中的氘和氚原子核发生聚变，释放出数倍于激光束的巨大能量。
长期以来，惯性约束核聚变研究面临的主要挑战是高能激光与聚变靶件等离子体之间相互作用（即激光等离子体相互作用），这是因为相互作用让激光出现散射从而分散了激光的能量。然而，去年秋季，在NIF对含氦和氢的标靶进行的测试性打靶中，研究人员利用激光和等离子体相互作用效应对激光束的能量分布进行了调整后，结果显示，模拟燃料标靶在受压方面具有高度的对称性，这正好满足NIF实现聚变点火和能量增益的条件。
惯性约束核聚变项目主任布莱恩•麦克高文表示：“激光和等离子体相互作用不稳定，许多情况令人感到惊讶。然而，我们的测试性打靶显示我们能够将激光和等离子体的相互作用转变成能量，并用于控制黑体辐射空腔的对称性。总之，我们没发现这种相互作用具有任何能令点火失败的副作用。”
NIF等离子体物理组组长齐格弗里德•格兰泽认为，利用激光等离子体相互作用调节惯性约束聚变激光能量的手段非常高明，人们可以在不需要提高各路激光束能量强度的情况下，通过改变激光的波长，让能量聚集在所需的地方。它是人们能最大程度地利用全部现有激光束能量的理想途径。
在《科学》杂志的网络版《科学快讯》上，格兰泽、麦克高文和他们的同事撰文表示，黑体辐射空腔两端自发形成的等离子体光栅能对激光能量在黑体辐射空腔中的分布加以调节，导致对称的X射线输出。格兰泽说，等离子体光栅如同小型棱镜，它改变了部分激光束能量的方向，如同棱镜按波长改变阳光方向一样。
格兰泽将激光等离子体相互作用调节激光束能量分布现象的发生归结于黑体辐射空腔尺寸的变化，因为它比过去在其他激光装置上进行的试验中所使用的黑体辐射空腔要大2倍至3倍。格兰泽表示，在激光束进入黑体辐射空腔的地方增加高温低密度等离子体，是出现等离子体光栅的关键。
在试验之前，NIF研究人员曾利用高保真三维计算机仿真，预测和模拟出微小地改变部分激光束波长的技术，以使其可控制激光束之间能量转变和均衡黑体辐射空腔内的激光能量分布的结果。在去年的试验中，早期的对称靶件内发生的“薄饼”状聚爆因波长变化而成为“球状”聚爆，从而证实了模型研究的结论。
NIF的激光系统自2009年6月便开始输出192路激光束，为确定随着激光能量提高黑体辐射空腔出现的X射线输出的特性，首批试验均采用了较低功率的激光束，同时靶件也比真正用于点火试验的靶件要小。此外，靶件采用的是低温充气小囊（capsule），2010年夏天开始的点火试验将改用聚变燃料小囊。
在测试改变波长效应前，调节射向黑体辐射空腔壁激光能量的唯一途径是调节相关激光束初级放大能量。
借助激光束穿过黑体辐射空腔口时与靶件发生的激光和等离子体效应，研究人员对激光波长进行的微小调节范围在零点几埃米（1埃米为一亿分之一厘米）至数埃米之间。依照激光和等离子体相互作用的原则，人们能够让每束激光全功率输出，并具有实现能量对称分配的机制。
试验证明NIF释放的能量有能力让黑体辐射空腔达到辐射温度（超过3百万摄氏度），该温度下能产生强烈的压缩聚变燃料小囊的X射线。NIF研究人员在推测未来高能全尺寸黑体辐射空腔打靶时认为，他们有能力创造必要的黑体辐射空腔条件来驱动聚爆实现点火。
在完成的试验中，NIF的激光器聚集于黑体辐射空腔的紫外线激光能量超过了1兆焦，创造了新的世界纪录，是过去最高能量记录的30多倍。
NIF主任摩西说，新的成就是一个重要的里程碑，它标志着NIF的精确打靶、综合科学诊断和激光系统（在能量和可靠性方面）达到了核聚变点火试验的要求。NIF有能力在今年为核聚变点火试验提供足够的能量。据悉，NIF下步工作是类点火的核聚变燃料小囊的开发，这需要燃料小囊内燃料呈冰冻层状（相当于零下425华氏度）。研究人员目前准备在2010年夏季对类点火燃料小囊进行试验。
