高功率激光物理国家实验室靶场组 任磊译

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“惯性约束聚变的能量净增益平衡点仍然难以捉摸,但缓慢而持续的进步终将获得胜利。”


多束NIF激光从靶室下半球注入

NIF之路回顾

时间回溯到2012年年底,在探索聚变能源的道路上刚刚抵达一个重要的里程碑。那一年,美国国家点火装置(NIF)的科学家们,高调地开展了一项旨在实现装置核心目标的项目:点火攻关,即实现可控核聚变反应,从而产生远远多于维持装置运行所需要的能量。惯性约束聚变(ICF)主要是利用激光或者磁场加热和压缩核燃料达到需要的高温和高压,而NIF点火的实现将会超越前面数十年的ICF研究取得的成果。点火对于NIF来说也是一个自我证明的机会,从而一刷前耻,毕竟该装置工期延宕,经费超标,于2009年劳伦斯·利弗莫尔实验室(LLNL)才正式建成这个耗资数十亿美元的巨型激光器。

2012年年初,NIF的所谓“国家点火攻关项目”的领导们对该计划信心满满。计算机模型预测到,利用大约1.7 MJ能量的激光辐照位于NIF靶室中心的氘氚靶丸,将产生无以计数的中子和阿尔法粒子,满足点火所需的条件。NIF装置设计的输出指标已经是1.8 MJ了。聚变点火,胜券在握。

然而,现实是残酷的,点火攻关项目惨淡收场!2016年年中,国家核安全委员会(NNSA)在评估报告中详细公布了多方面的失败因素。 预测靶丸获得高能量增益的计算程序和模型并“没有抓住必要的物理”,评估专家们在报告中指出,“未能区分不同发次之间的本质差别,导致在相同的激光参数下却得到了不同的结果,实验效果无法令人满意。”更为致命的是,评估报告中指出“基于逃避问题而不是直接指出并理解问题的科研项目管理是不当的”。报告总结中指出,“问题已经不是什么时候NIF能够实现点火,而是能否在现有条件下实现点火。”


点火实验中使用的柱腔靶

NIF惯性约束聚变项目组首席科学家Omar Hurricane,在评价点火攻关项目失败原因时,也非常诚恳地谈道:“这就像当你正准备击中一个全垒打,结果却错过了。 ”这位说话轻柔,充满活力的物理学家,2012年的时候还在LLNL的其他部门工作。他在解释点火成功的要求时说道,需要对许多不同的物理参数“施加惊人程度的控制”。

怎样才能实现“点火”?

下面简要介绍在NIF上实现点火需要准备的系列条件。在一次打靶过程中,集合了装置192路激光的能量被导引进入了一个高1厘米、直径几毫米的中空靶中。这种实验用靶,也就是常说的黑腔靶,腔内充有氦气,腔的中心固定一个充满氘氚燃料的靶丸。在激光加热黑腔的过程中,黑腔内壁表面的金膜将会释放X射线。这些X射线将辐照靶丸,加热并且导致靶丸外层的烧蚀材料以几百公里每秒的速度喷溅出去。依据动量守恒,靶丸剩余的部分向里内爆,如果内爆过程中靶丸的密度和温度足够高,氘核和氚核将会发生聚变反应。

“点火的思想就是,我们可以在靶内部得到一个不断传播的燃烧波——‘点着一根火柴’,它以球面的形式不断向外燃烧并且释放出的聚变能将远远超出点燃它所需要的能量。”NIF主任Mark Herrmann解释道。


激光能量到黑体辐射腔X射线再到腔靶能量耦合效率示意图

点火的核心,也是NIF并没有成功的原因,可以一个简单的词概括:对称性。柱腔靶周围的激光辐照就不是完美对称的,腔内产生的X射线也并不对称。只要有不对称性,用于压缩靶丸的压力分布将会存在细微的差别。“你可以把靶丸的压缩过程想象成将足球挤压到差不多一个豌豆的大小,” Herrmann这样比喻,“如果在一边用力过大,那么你就会得到一颗利马豆(扁肾形)或者一颗四季豆(长条状),而不是圆圆的豌豆。”

导致非对称压缩其中一个重要因素是交叉光束能量转移(CBET)效应。在等离子体中当激光束相互交叠时,从效果上看,一束激光从另一束激光中偷取了能量。“按照设计的激光辐照模式可以对靶丸进行对称驱动,然而激光束却故意与你作对,改变了本来的对称方式。”来自英国原子武器研究机构(AWE)的等离子体物理学家Warren Garbett解释了CBET对对称压缩的影响,他同样也是ICF研究的项目评估专家。

CBET不仅会导致非对称性,它还会将能量从入射激光束中转移到出射的激光上。“该过程不仅难于预测,更别说控制,” Jerry Chittenden,帝国理工的等离子体物理学家同时也是此次NNSA评估报告的共同作者,解释道,“这有些像电影《捉鬼敢死队》(1984年,美国喜剧科幻电影,Ghostbusters)中放的那样,一旦光束发生交叉,邪恶的事情就会发生。”

不仅如此,靶丸在压力下的压缩过程也难以控制。只要靶丸上存在薄弱区域并且发生破裂,靶丸材料就会从那里漏出。这在聚变开始之前就导致了靶丸的畸变,严重时会将靶丸撕碎。微小流体不对称性加剧成为大尺度不对称性的过程物理上称为瑞利-泰勒不稳定性。Hurricane注意到,早期的ICF研究中就已经认识到了这种不稳定性与不对称压缩的相互关联。目前还没有理解清楚的是,这种不稳定性将会对聚变点火造成多大程度的阻碍。


工作人员在NIF靶室内靶的位置处 图片来自维基百科

NIF的研究新重点:追求对称性

点火攻关项目结束后,NIF的研究重点也从直接实现点火转移到理解靶丸内爆过程中非对称的产生机理以及减少非对称性的措施。在此过程中发展了一项关键的“足脉冲”技术,即适当在脉冲前沿增加能量。这种脉冲条件下的内爆将较少地受到瑞利泰勒不稳定性的影响,2014年报道了 “高足脉冲”驱动下对称性获得显著改善,并且聚变过程中获得的能量比施加到燃料上的能量更高,实现“增益”。

“虽然对‘增益’解释不一,但结果表明,点火过程至少是开始了,”Chittenden说道。他还指出,在一些实验中,氘氚燃料温度最高点处的压力甚至达到了点火所需值的两倍。可惜的是,在脉冲初期如果对靶丸过多加热将会增加后续靶丸压缩的难度,所以,实际效果上看,高足脉冲是以减少最大压缩压强为代价,换取较好的内爆对称性。因此,为了追求打靶过程中能量增益的最大化就需要策略之间的权衡。

当证明了高足脉冲的设计以及其他参数的修改可以显著提高靶丸内爆的对称性的同时,又发现了导致不对称的其他因素。其中一个诱因就是腔靶内用于固定靶丸的纤细薄膜。最近的实验发现,X射线辐照到这种帐篷形状的结构时,它会发生爆裂,在材料和靶丸接触的部分产生压力脉冲。另一个不对称性的诱因是给靶丸填充氘氚燃料的纤细玻璃导管,尽管它的直径只有10µm,在实验数据中仍能观察到它的影响。

解决这两个问题可能需要同时考虑工程以及物理,工程师们制造影响更小的帐篷和填充导管,而物理学家们则要尽量找到补偿这两者影响的措施。“这是一个系统工程,”Hurricane说道,“我们对内爆研究正在不断地深入,每一次深入我们都会获得改进,同时也伴随着新问题的产生,我们正在努力对发现的问题各个击破。”

点火:全球ICF实验室追求的目标

到2020年之前,NIF的科研人员的计划就是找出不同物理参数对点火的影响,包括激光脉冲形状、腔靶内部所充氦气的浓度以及腔靶和靶丸的新材料。根据NNSA在最近发布的惯性约束聚变研究纲要,NIF的目标是“决定利用NIF实现点火的功效,如果发现不可能,那么给出原因”。

如果到时候发现答案是不可能,一个可能的变通方案就是改变NIF的构型,从而实现激光对靶丸的直接辐照,而不是通过一个腔靶(即间接驱动)。删去中间步骤将会获得大约10倍于间接驱动的辐照到靶丸的激光能量,代价就是可能会增加CBET以及其他激光相关的不稳定因素。这种激光直接驱动的实验目前正在NIF以及诸如罗切斯特大学激光动力学实验室(LLE)的小规模激光装置上开展。


建造中的NIF靶室

“将NIF切换成直接驱动的构型,我们也正在考虑,”Hurricane说,同时他也补充道,如此就需要新的经费支持,毕竟NIF的激光设计并不能提供一个球形对称的辐照。另外,在当前技术条件下,LLE的结果表明,即使在NIF这种规模的装置上开展直接驱动聚变实验,也只能获得两倍的点火所需压力,这种提高在目前的NIF构型上已经能够实现,Chittenden指出。

与此同时,法国的科学家们也正在密切地关注着NIF的进展情况。兆焦耳激光装置(LMJ)激光等离子体实验项目主任Jean-Luc Miquel称LMJ和NIF两者为“兄弟激光”,这个位于法国波尔多市附近大型激光器和NIF相似,并且当它全束组运行时也能输出相同规模的能量。目前,LMJ规划的176束激光中只有16束投入运行,预计在2019年可以再上线40束。整个装置建设完成预计要到下一个年代初,这还得建立在政府基金保障充分以及法国核武器委员会时刻督促进度的前提下(LMJ和NIF除ICF研究之外,都在开展武器物理的实验,只是法国当局不怎么区分这两者)。当下,LMJ上的实验主要集中在低能量下黑腔动力学、辐射输运以及流体力学不稳定性的研究,随着激光路数的增加,更多的研究计划也将后续开展。Miquel评价道:“对我们来说,点火是LMJ的终极目标,但在此之前,还有大量的与之相关的物理问题亟需研究清楚。”

对其他实验室而言,点火的事情更是遥不可及。在新墨西哥州桑迪亚国家实验室中有一个类似惯性约束聚变的装置也在进行燃料的压缩研究,它主要利用磁场进行约束实现聚变。但是通过磁约束实现点火可能需要依靠下一代的装置。LLE和日本大阪大学正在探索基于激光驱动的另外一种点火途径——快点火方案,通过在更大的激光驱动器上开展实验将有望知道低能量状态下获得的理想结果是否能够应用到高能量状态下实现点火。3~4MJ量级的更大规模激光驱动器也正在计划中,俄罗斯和中国均已经相继提出设计方案。但目前这些大型激光装置还只存在纸面上。

就当下而言,NIF仍然是世界上最有希望实现点火的激光驱动器。虽然2012年热切的点火期盼就像实验之后的柱腔靶那样分崩离析了,在ICF学界仍然保持着乐观的态度。“回顾ICF的发展历史,为了实现点火建立了系列的驱动装置,然后获得了更多的物理上的新认识,却发现这些装置又不能满足需求了。” Garbett说道,“但是NIF是真正的最先进的装置。”Hurricane在谈到ICF前景时,语气平静,言辞从容,仍然充满乐观,“通过装置我们可以真实地发现问题,这样我们就有机会去解决问题,从而不断进步。这总比‘怎么没有作用,我们找不到哪里出了问题,然后无从下手’好很多。科学探索哪有容易的事情,它需要投入大量的精力,我们也正在一点一点地攻克难关。科学家们就是喜欢解决问题嘛——这也是我们工作中必不可少的一部分。”

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