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不做美國的影子:法國建激光核聚變反應實驗室
歐洲欲借新型核聚變裝置另辟蹊徑
2015-03-02 | 作者:中國科學報 |【 【打印】【關閉】

   

  法國價值30億歐元的激光核聚變反應實驗室將在反應室中置入兆焦級激光。

  在核聚變領域一直處于下風的歐洲可能也會因此變得揚眉吐氣。

  對于任何一個熟悉激光核聚變的研究人員來說,參觀兆焦耳激光器(Laser Mégajoule,以下簡稱LMJ)——去年剛在法國大西洋沿岸建成的一項耗資30億歐元的研究裝置,都會產生一種似曾相識的錯覺。現場所見和美國加利福尼亞州國家點火裝置(NIF)可謂“一模一樣”。

  LMJ的占地面積和NIF一樣,都約為一個體育場大小,都是閃亮的白色金屬框架,同樣的方形束射管與10米寬的反應室。不同的是,這里的咖啡品種更加豐富,安全管制沒有那么苛刻,參觀者可訪問的地方更大、可獲得的信息量更多。然而,整體來看走進LMJ的大門就像踏入了美國勞倫斯利物莫國家實驗室——這是另一個運行NIF的核武器實驗室,只不過這個世界由法國控制。

  “雙胞胎”核聚變裝置

  這種相似性并非巧合。兩個地點的設施都是為了同一個目的而建——即讓數十束強激光射向一個目標靶標,在瞬間形成極高溫和極大壓力。兩個實驗室也存在廣泛合作,兩個設施也都是出于軍事目的:復制微型核爆炸,使核武器科學家可以確保在需要時無須經過測試即可引爆。和美國同類型裝置相似,法國裝置的另一個目的是實現慣性核聚變(IFE)研究,用激光脈沖打破氫同位素的膠囊,使氫同位素熔合成氦,釋放出其中蘊藏的巨大能量,并在未來某一天被用于核電站。

  但是與NIF初始目的最大不同之處是,LMJ的首要目的是絕密武器。2009年NIF建成之后,利弗莫爾市研究人員啟動了一項可以實現點火的緊急計劃——即生成一個可自我維持的核聚變反應堆,并制造出點火時所需的龐大能量。然而,他們實現此研究目標的計劃失敗了,并改變了實驗方法。

  法國LMJ的建造者替代能源與原子能委員會(CEA)也希望實現點火,因為這是核武器研究和能源研究的基礎。“是激光點火的目標驅動了裝置設計。”LMJ項目負責人Pierre Vivini說。但是利用激光核聚變發電的研究項目將會留給該機構之外的學術人員,他們要等到兩年后才能接觸到該裝置。當他們參與進來時,一些主要設計差別可能會賦予LMJ比NIF更有利的點火時機。

  就其核心來說,兩個裝置就像是一對“雙胞胎”。和NIF相同,LMJ的研究人員也在使用光纖激光器制造出一束持續時間僅為十億分之幾秒的紅外線。然后,這束較弱的紅外線會進入前置放大器——在脈沖到來前,用氙氣閃光燈使摻釹激光玻璃厚片充滿能量。它們會把能量傳入光束中,在光線分成很多平行光并被送到主放大鏡之前(同樣的摻釹激光玻璃與同樣的疝氣燈,不過規模更大),使其達到1焦耳。

  運行原理

  LMJ有22個主放大鏡鏈條,位于建筑周圍的四個大廳中,每個放大鏡都可以容納八組平行光束。在每次激光射擊中,八組光線在四組放大鏡之間來回反彈并使能量增加至2萬倍。精心設計的放大鏡陣列將使176束光線圍繞球形反應室的各個方向;然后最后一組光學鏡片將會把紅外光變成紫外線(UV),并把它們集中到反應堆中心針尖大小的一個點上。重新把這些光線集合在一起之后會向反應室中心的目標點上傳遞1.5兆焦的能量——大致相當于載重2噸的卡以每小時140公里運行時的動能。而NIF的激光則可以傳遞1.8兆焦的能量。

  由于資金限制,目前僅有一個主要放大鏡鏈條用于聯機。盡管如此,這也足以啟動核武器研究。CEA核武器研究主任Francois Geleznikoff說:“用8組平行光,我們可以做大科學。但是研究武器并不需要所有的光。”該設施每年將補充至少另外兩組放大鏡鏈條(16束光),直到未來十年滿負荷運轉。但在那之前,來自歐洲的所有IFE研究人員已經得到承諾可以占用該裝置至少20%的使用時間。“每年50次激光射擊可以讓我們真正做一項大科學項目。”波爾多大學等離子物理學家Dimitri Batani說。 

 
 
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