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                                  中國科學家談NIF激光器未能實現點火事件:言敗尚早
                                  2016-7-19
                                  來源:未知
                                  點擊數:  1567        作者:未知
                                  • 美國能源部(DOE)所屬的國家核安全局(NNSA)針對慣性約束核聚變(ICF)提出了一個新計劃:將2020年作為確定NIF能否實現點火目標的最后期限。這個新計劃,引起了激光聚變領域的廣泛關注。

                                    近日,中國激光雜志社編輯采訪了High Power Laser Science and Engineering(HPL)執行主編、國內激光聚變研究科學家、中科院上海光機所朱健強研究員。

                                    編  輯:NNSA認為,計算機模擬預測NIF能夠達到點火條件,但缺少對物理可行性的掌握,再加上失敗的大科學項目管理,造成NIF無法點火現狀。您怎么評價?

                                    朱健強:首先,NIF未能實現點火,原因是復雜的。實現聚變點火的理論和實驗并不是兩個孤立的部分,不能把它們分開來,理論和實驗是相互促進、共同發展的關系。這類理論模型并非一個確定的數值方程,需要在原設計的基礎上不斷進行實驗,通過實驗結果分析再反過來完善這個模型。從美國已經開展的物理實驗來看,他們也試圖通過改變黑腔直徑、采用高足脈沖等途徑開展實驗,這些并不是原來理論預先確定的。在目前有限發次的實驗上,實驗結果與理論預期出現了不符,為此美國已經提出了未來幾年內繼續開展激光聚變研究的計劃框架。盡管目前沒有實現聚變點火,但美國始終沒有放棄這一目標,估計后續還會有研究計劃,推動聚變點火。

                                    NIF在設計之初由于受經濟預算約束,設計的通量負載過高,導致終端光學元件損傷嚴重,影響了原定的三倍頻激光輸出。按照NIF激光驅動器的基頻輸出和三倍頻輸轉換效率,NIF應該具有2.5MJ左右的能量輸出,但事實上目前絕大多數的實驗發次都在1MJ以下。所以目前NIF的運行還無法在1.8MJ的輸出能量下有效地開展多發次物理實驗,也為實現點火的能量點和實驗方式增加了幾分不確定性。

                                    NIF前主任MichaelCampbell也認為NIF存在一些問題,運行發次太少,實驗數據太少,很多物理問題無法了解清楚。

                                    美國目前的聚變研究方式是從低值探索,尋找點火的能量閾值,而不是采用很高的輸出能量實現點火進而找到點火的能量閾值,這也增加了點火的難度。NIF最初的理論模型中,實現點火所需的能量預測是在1~10MJ范圍中,最終勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家選擇了1.8MJ作為點火能量,這或許也是未能實現點火的原因之一。

                                    編  輯:美國海軍實驗室激光核聚變項目的前負責人Stephen Bodner一直認為NIF或Omega無法實現聚變點火,也有其他一些人持同樣觀點。您如何評價這樣的爭論?

                                    朱健強:在激光聚變技術的發展過程中,多種觀點一直并存,這也是科學發展的一個動力。對于一個大型科學裝置計劃來說,如果沒有爭論的聲音并不一定是好事。

                                    Stephen Bodner的觀點是有一定依據的,如他所說,激光的高相干性會導致出現調制的現象,在壓縮的過程中會出現不穩定,對燃料實現高溫高密度壓縮帶來困難,但我們也不能完全同意他的看法。KrF激光器雖然具有波長短,光斑均勻的優點(具體可以讀StephenBodner于2013年發表在High Power Laser Science and Engineering發表的文章),但作為點火驅動器,增益介質的儲能密度太低,無法實現高功率和大能量的輸出。

                                    NIF采用了間接驅動方法,Omega采用直接驅動方案,美國能源部一直都在同時發展兩類驅動方式的實驗研究?,F在看來,不同的驅動方式對探索點火途徑是十分重要的,從美國未來的激光聚變研究實驗安排上,就可以看到直接驅動的實驗發次很多,我們要仔細探究并理解這些實驗對間接驅動點火物理的機理貢獻。直接驅動與間接驅動并不是兩種完全對立的實驗手段,而是研究聚變點火實驗物理時各有所長,互有補充,這點在美國未來的實驗安排上已經得到印證。NIF與Omega之間這種競爭與協作的關系,互相促進,共同發展,使得美國在這個領域一直處于************地位。

                                    編  輯:雖然暫時遇到了一些困難,但不可否認NIF在21年的發展過程中做出了很多創新的工作,請簡要介紹一下。

                                    朱健強:是的,NIF到目前為止尚未實現點火,但NIF為激光領域帶來的發展是有目共睹的。作為一個大型激光裝置,它的建成和運行具有重大的意義。在NIF發展的過程中,帶來了激光技術的“七大奇跡”。另外,實現點火、解決能源問題只是NIF的三大使命之一,其他的兩大使命分別是核武器庫存和高能高密度物理研究。即使在不點火的前提下,NIF也為這兩大使命提供了實驗平臺,對該領域的科學技術發展有重要作用。

                                    編  輯:如果NIF能在不久的將來實現點火,在您看來從在實驗室的聚變點火到真正的聚變電廠之間還有多遠?

                                    朱健強:實現點火并不是最終目的。在大型裝置上點火成功到能夠真正地使用這一清潔能源,還有很長的路要走。目前實驗室的點火研究是單次的,而作為聚變能源,需要有一定的重復率。這意味著,將來即使聚變點火成功,用于聚變能源所采用的技術路線會完全不同于現在,需要用新型激光介質和半導體激光作為抽運源,實現高重復率??v觀整個科學技術史,一項技術從實驗成功到實際應用,都需要很長的時間來實現。

                                    編  輯:最后,請您做一下總結。

                                    朱健強:雖然NIF在近幾年內無法實現點火,但這不代表點火是不可實現的,NIF的實驗仍然在繼續。這項工作的重要性決定了我們需要全面了解目前美國的狀況,同時繼續探索機理,發展技術,理性判斷,補足短板。

                                    實際上,國內的科學家已經利用規模遠小于美國NIF的高功率激光裝置開展了卓有成效的原創性研究工作。例如,在實驗室天體物理方面,上海交通大學張杰院士團隊在上海光機所聯合實驗室的神光II裝置上成功模擬了重要的天文現象——太陽耀斑中環頂X射線源和重聯噴流。張杰院士也因此突出貢獻在2015年獲得激光聚變領域國際******獎——愛德華·泰勒獎。

                                    由此可見,聚變點火這類************的科學目標,給我們提供了無限的研究空間,也給我們提出了很多挑戰,是繼承發展還是發展繼承?繼承發展類似于一種跟蹤,發展繼承是有自己的獨立判斷。聚變點火研究,需要我們有理性的分析判斷,對復雜的機理問題不能簡單地借鑒美國同行的思路。中國激光聚變研究的歷史表明,我們曾經做出了記入史冊的歷史貢獻,也將會對聚變點火的未來研究做出我們的貢獻。

                                    大家應該注意到,上篇報道中也提到了中國的研究工作,這足以表明中國在激光聚變點火研究方面的實力。聚變點火是世界夢,也是中國夢! 

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