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中国科学家谈NIF:言败尚早

发布:dengying阅读:2565时间:2016-7-1 09:49:44

美国能源部(DOE)所属的国家核安全局(NNSA)针对惯性约束核聚变(ICF)提出了一个新计划:将2020年作为确定NIF能否实现点火目标的最后期限。这个新计划,引起了激光聚变领域的广泛关注。6月30日,中国激光杂志社编辑采访了High Power Laser Science and Engineering(HPL)执行主编、国内激光聚变研究科学家、中科院上海光机所朱健强研究员。  

  编 辑:NNSA认为,计算机模拟预测NIF能够达到点火条件,但缺少对物理可行性的掌握,再加上失败的大科学项目管理,造成NIF无法点火现状。您怎么评价?

  朱健强:首先,NIF未能实现点火,原因是复杂的。实现聚变点火的理论和实验并不是两个孤立的部分,不能把它们分开来,理论和实验是相互促进、共同发展的关系。这类理论模型并非一个确定的数值方程,需要在原设计的基础上不断进行实验,通过实验结果分析再反过来完善这个模型。从美国已经开展的物理实验来看,他们也试图通过改变黑腔直径、采用高足脉冲等途径开展实验,这些并不是原来理论预先确定的。在目前有限发次的实验上,实验结果与理论预期出现了不符,为此美国已经提出了未来几年内继续开展激光聚变研究的计划框架。尽管目前没有实现聚变点火,但美国始终没有放弃这一目标,估计后续还会有研究计划,推动聚变点火。

  NIF在设计之初由于受经济预算约束,设计的通量负载过高,导致终端光学元件损伤严重,影响了原定的三倍频激光输出。按照NIF激光驱动器的基频输出和三倍频输转换效率,NIF应该具有2.5 MJ左右的能量输出,但事实上目前绝大多数的实验发次都在1 MJ以下。所以目前NIF的运行还无法在1.8 MJ的输出能量下有效地开展多发次物理实验,也为实现点火的能量点和实验方式增加了几分不确定性。

  NIF前主任Michael Campbell也认为NIF存在一些问题,运行发次太少,实验数据太少,很多物理问题无法了解清楚。

  美国目前的聚变研究方式是从低值探索,寻找点火的能量阈值,而不是采用很高的输出能量实现点火进而找到点火的能量阈值,这也增加了点火的难度。NIF最初的理论模型中,实现点火所需的能量预测是在1~10 MJ范围中,最终劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家选择了1.8 MJ作为点火能量,这或许也是未能实现点火的原因之一。

  编 辑:美国海军实验室激光核聚变项目的前负责人Stephen Bodner一直认为NIF或Omega无法实现聚变点火,也有其他一些人持同样观点。您如何评价这样的争论?

  朱健强:在激光聚变技术的发展过程中,多种观点一直并存,这也是科学发展的一个动力。对于一个大型科学装置计划来说,如果没有争论并不一定是好事。

  Stephen Bodner的观点是有一定依据的,如他所说,激光的高相干性会导致出现调制的现象,在压缩的过程中会出现不稳定,对燃料实现高温高密度压缩带来困难,但我们也不能完全同意他的看法。KrF激光器虽然具有波长短,光斑均匀的优点(具体可以读Stephen Bodner于2013年发表在High Power Laser Science and Engineering发表的文章),但作为点火驱动器,增益介质的储能密度太低,无法实现高功率和大能量的输出。

  NIF采用了间接驱动方法,Omega采用直接驱动方案,美国能源部一直都在同时发展两类驱动方式的实验研究。现在看来,不同的驱动方式对探索点火途径是十分重要的,从美国未来的激光聚变研究实验安排上,就可以看到直接驱动的实验发次很多,我们要仔细探究并理解这些实验对间接驱动点火物理的机理贡献。直接驱动与间接驱动并不是两种完全对立的实验手段,而是研究聚变点火实验物理时各有所长,互有补充,这点在美国未来的实验安排上已经得到印证。NIF与Omega之间这种竞争与协作的关系,互相促进,共同发展,使得美国在这个领域一直处于世界领先地位。

  编 辑:虽然暂时遇到了一些困难,但不可否认NIF在21年的发展过程中做出了很多创新的工作,请简要介绍一下。

  朱健强:是的,NIF到目前为止尚未实现点火,但NIF为激光领域带来的发展是有目共睹的。作为一个大型激光装置,它的建成和运行具有重大的意义。在NIF发展的过程中,带来了激光技术的“七大奇迹”They are what we call the "seven wonders of NIF". )。另外,实现点火、解决能源问题只是NIF的三大使命之一,其他的两大使命分别是核**库存和高能高密度物理研究。即使在不点火的前提下,NIF也为这两大使命提供了实验平台,对该领域的科学技术发展有重要作用。

  编 辑:如果NIF能在不久的将来实现点火,在您看来从在实验室的聚变点火到真正的聚变电厂之间还有多远?

  朱健强:实现点火并不是最终目的。在大型装置上点火成功到能够真正地使用这一清洁能源,还有很长的路要走。目前实验室的点火研究是单次的,而作为聚变能源,需要有一定的重复率。这意味着,将来即使聚变点火成功,用于聚变能源所采用的技术路线会完全不同于现在,需要用新型激光介质和半导体激光作为抽运源,实现高重复率。纵观整个科学技术史,一项技术从实验成功到实际应用,都需要很长的时间来实现。

  编 辑:最后,请您做一下总结。

  朱健强:虽然NIF在近几年内无法实现点火,但这不代表点火是不可实现的,NIF的实验仍然在继续。这项工作的重要性决定了我们需要全面了解目前美国的状况,同时继续探索机理,发展技术,理性判断,补足短板。

  实际上,国内的科学家已经利用规模远小于美国NIF的高功率激光装置开展了卓有成效的原创性研究工作。例如,在实验室天体物理方面,上海交通大学张杰院士团队在上海光机所高功率激光物理联合实验室的神光II装置上成功模拟了重要的天文现象——太阳耀斑中环顶X射线源和重联喷流。张杰院士也因此突出贡献在2015年获得激光聚变领域国际最高奖——爱德华·泰勒奖。

  由此可见,聚变点火这类前所未有的科学目标,给我们提供了无限的研究空间,也给我们提出了很多挑战,是继承发展还是发展继承?继承发展类似于一种跟踪,发展继承是有自己的独立判断。聚变点火研究,需要我们有理性的分析判断,对复杂的机理问题不能简单地借鉴美国同行的思路。中国激光聚变研究的历史表明,我们曾经做出了记入史册的历史贡献,也将会对聚变点火的未来研究做出我们的贡献。

  大家应该注意到,上篇报道中也提到了中国的研究工作,这足以表明中国在激光聚变点火研究方面的实力。聚变点火是世界梦,也是中国梦!

  人物简介:

  朱健强,上海光机所研究员,高功率激光物理联合实验室主任,长期从事激光驱动器发展研究。

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