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不做美国的影子法国建激光核聚变反应实验室

2019-06-14 18:40:59 | 来源: 故事

不做美国的影子:法国建激光核聚变反应实验室

法国价值30亿欧元的激光核聚变反应实验室将在反应室中置入兆焦级激光。(这两天)

在核聚变领域一直处于下风的欧洲可能也会因此变得扬眉吐气。

对于任何一个熟悉激光核聚变的研究人员来说,参观兆焦耳激光器(Laser Mgajoule,以下简称LMJ)——去年刚在法国大西洋沿岸建成的一项耗资30亿欧元的研究装置,都会产生一种似曾相识的错觉。现场所见和美国加利福尼亚州国家点火装置(NIF)可谓“一模一样”。

LMJ的占地面积和NIF一样,都约为一个体育场大小,都是闪亮的白色金属框架,同样的方形束射管与10米宽的反应室。不同的是,这里的咖啡品种更加丰富,安全管制没有那么苛刻,参观者可访问的地方更大、可获得的信息量更多。然而,整体来看走进LMJ的大门就像踏入了美国劳伦斯利物莫国家实验室——这是另一个运行NIF的核武器实验室,只不过这个世界由法国控制。

“双胞胎”核聚变装置

这种相似性并非巧合。两个地点的设施都是为了同一个目的而建——即让数十束强激光射向一个目标靶标,在瞬间形成极高温和极大压力。两个实验室也存在广泛合作,两个设施也都是出于军事目的:复制微型核爆炸,使核武器科学家可以确保在需要时无须经过测试即可引爆。和美国同类型装置相似,法国装置的另一个目的是实现惯性核聚变(IFE)研究,用激光脉冲打破氢同位素的胶囊,使氢同位素熔合成氦,释放出其中蕴藏的巨大能量,并在未来某一天被用于核电站。

但是与NIF初始目的不同之处是,LMJ的首要目的是绝密武器。2009年NIF建成之后,利弗莫尔市研究人员启动了一项可以实现点火的紧急计划——即生成一个可自我维持的核聚变反应堆,并制造出点火时所需的庞大能量。然而,他们实现此研究目标的计划失败了,并改变了实验方法。

法国LMJ的建造者替代能源与原子能委员会(CEA)也希望实现点火,因为这是核武器研究和能源研究的基础。“是激光点火的目标驱动了装置设计。”LMJ项目负责人Pierre Vivini说。但是利用激光核聚变发电的研究项目将会留给该机构之外的学术人员,他们要等到两年后才能接触到该装置。当他们参与进来时,一些主要设计差别可能会赋予LMJ比NIF更有利的点火时机。

就其核心来说,两个装置就像是一对“双胞胎”。和NIF相同,LMJ的研究人员也在使用光纤激光器制造出一束持续时间仅为十亿分之几秒的红外线。然后,这束较弱的红外线会进入前置放大器——在脉冲到来前,用氙气闪光灯使掺钕激光玻璃厚片充满能量。它们会把能量传入光束中,在光线分成很多平行光并被送到主放大镜之前(同样的掺钕激光玻璃与同样的疝气灯,不过规模更大),使其达到1焦耳。

运行原理

LMJ有22个主放大镜链条,位于建筑周围的四个大厅中,每个放大镜都可以容纳八组平行光束。在每次激光射击中,八组光线在四组放大镜之间来回反弹并使能量增加至2万倍。精心设计的放大镜阵列将使176束光线围绕球形反应室的各个方向;然后一组光学镜片将会把红外光变成紫外线(UV),并把它们集中到反应堆中心针尖大小的一个点上。重新把这些光线集合在一起之后会向反应室中心的目标点上传递1.5兆焦的能量——大致相当于载重2吨的卡车以每小时140公里运行时的动能。而NIF的激光则可以传递1.8兆焦的能量。

由于资金限制,目前仅有一个主要放大镜链条用于联机。尽管如此,这也足以启动核武器研究。CEA核武器研究主任Francois Geleznikoff说:“用8组平行光,我们可以做大科学。但是研究武器并不需要所有的光。”该设施每年将补充至少另外两组放大镜链条(16束光),直到未来十年满负荷运转。但在那之前,来自欧洲的所有IFE研究人员已经得到承诺可以占用该装置至少20%的使用时间。“每年50次激光射击可以让我们真正做一项大科学项目。”波尔多大学等离子物理学家Dimitri Batani说。[1][2]下一页他们的项目计划包括一些与NIF的策略存在巨大差异的地方。比如:他们已经获得了一项计划安装在LMJ装置上的单独的激光资助项目,可以提供NIF所难以匹敌的时间更短、强度更大的激光脉冲。这项叫作“PETawatt Aquitaine Laser”(以下简称PETAL)的项目可以产生达到3.5千焦耳能量的相对温和的脉冲。但是这些能量将在百万分之一秒内被压缩,并产生超过千兆瓦的能量(是LMJ脉冲的100倍)。PETAL的激光脉冲将不会分解并传向各个方向;它们将来自于一个方向,并设定好时间与主要激光器的脉冲发生碰撞。在实验中,它们将会提供瞬间突然迸发出的能量。

把PETAL和LMJ相结合的实验将模拟恒星以及其他天体内部发生的过程。研究人员还将使用强大的激光冲击给质子加速——该方法可以产生治疗癌症的紧凑型加速器。让激光核聚变研究人员兴奋的是来自PETAL的短促、急剧爆炸的前景,它可以作为核聚变反应的火花塞。

他们期望这样使用PETAL可以让IFE研究人员避免NIF曾经遇到的一些障碍。IFE任何项目的关键元素都是燃料胶囊——一种大小与干胡椒相仿的用来盛放冷冻氘和氚(氢的同位素,是核聚变的燃料)的塑料球体。这种被放在反应室中央的塑料胶囊被来自激光脉冲的极高温气化后,会产生一种向内破裂的力量,把燃料挤压到铅密度的100倍,并将其加热到1亿开尔文摄氏度,这一温度足以为核聚变点火。

点火途径

在NIF与LMJ的武器研究实验中,研究人员通过把燃料胶囊包裹在一个金属壳中间接向内引爆胶囊,这种金属壳可以通过激光加热,反过来再用X光炸裂胶囊。这种方法具有一些优势,它可以使激光束的瑕疵变得平滑,而且X光在向内爆破过程中比紫外线更具优势,但是它却使目标变得复杂与昂贵,这不是科学家想要的产生能量的方式。NIF研究人员也曾努力让这一方式发挥作用,但能量在转化成X光的过程中丢失了,而且向内爆破进展得也不顺利。

IEF武器实验室外的研究人员想通过不同的方式解决问题。通过清除掉金属壳,并把激光束直接对准胶囊,可以避免复杂性以及把紫外线转化成X光时的能量丢失。为了得到平滑、对称的向内爆破,很多科学家建议以较慢的速度推动这一过程。但这样一来压缩燃料又不能加热到足够高的温度让核燃料自行运转;仍需要另外的点火装置启动聚变堆。

一种可能解决的办法是快速点火,日本大阪大学是该领域的先驱,该方法是利用快速、高能量激光脉冲来点火——PETAL可以制造这种脉冲。过去十年,IFE研究人员提出了建设一个以快速点火为基础的示范性IFE反应堆“HiPER”。然而,由于NIF远未达到点火的能力,该计划就没有了动力,但其支持者希望通过LMJ—PETAL组合给予其新动力。

近日在功率相对较低的装置上的实验已经表明,PETAL或许不能发出猛烈一击来触发快速点火。但纽约罗切斯特大学引导的另一项选择或许可以挽救困局。这种名为“冲击点火”的技术像其他技术一样,也是用来自主激光器的激光脉冲挤压燃料胶囊。但是在挤压,激光会突然增加能量,产生一种冲击波,并传递至燃料中心。当冲击波抵达反应堆中央时,突然增加的压力可以激活反应堆。“通过Omega装置(罗切斯特大学的激光器)所做的实验和其他地方的一些实验都很鼓舞人心,在这个阶段(冲击点火)所需要的激光条件看起来比快速点火更有前景。”英国中央激光研究所核聚变研究人员Chris Edwards说。

在通过LMJ-PETAL装置实现核聚变能的过程中,研究人员还面临来自社会与政界的挑战。欧洲的IFE科学圈相对较小,此前并未经历过规模如此大的装置或武器安全实验室类的项目。“单是LMJ看起来似乎就像一座沙漠中的教堂。”Batani说,“研究人员对它很感兴趣,但是同时持怀疑态度。很多人不相信它是有助于科研的工具。”而且CEA还需要克服其不情愿与学术界研究人员分享模拟代码的问题,他们害怕这样做可能会帮助“流氓国家”研究热核武器。Batani说,“我们需要可靠的模拟实验,但却没有开放的代码。”而且欧洲传统上聚焦于另一种不同的研究方法——磁约束核聚变,这种方法也有其代表性装置:即在法国卡达拉奇正在建设的花费数十亿欧元的国际热核实验反应堆(ITER)。

“如果LMJ的冲击点火方法可行,政治家的态度就会变得更加积极。” Batani说。而在核聚变领域一直处于下风的欧洲可能也会因此变得扬眉吐气。(冯丽妃)

原标题:不做美国的影子:法国建激光核聚变反应实验室

稿源:中国青年

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