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不做美国的影子:法国建激光核聚变反应实验室
欧洲欲借新型核聚变装置另辟蹊径
2015-03-02 | 作者:中国科学报 |点击: | 【 【打印】【关闭】

   

  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。

  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 Mégajoule,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初始目的最大不同之处是,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;然后最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。 

 
 
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