激光核聚變激光核聚變〔lasernuclearfusion〕是以高功率激光作為驅(qū)動器的慣性約束核聚變。在探索實現(xiàn)受控熱核聚變反響過程中，隨著激光技術的開展，1963年聯(lián)科學家N.巴索夫和1964年中國科學家王淦昌分別獨立提出了用激光照射在聚變?nèi)剂习猩蠈崿F(xiàn)受控熱核聚變反響的設想，開辟了實現(xiàn)受控熱核聚變反響的新途徑激光核聚變。激光核聚變要把直徑為1毫米的聚變?nèi)剂闲∏蚓鶆蚣訜岬?億度，激光器的能量就必須大于1億焦，這在技術上是很難做到的。直到1972年美國科學家J.納科爾斯等人提出了向心爆聚原理以后，激光核聚變才成為受控熱核聚變研究中與磁約束聚變平行開展的研究途徑。1、根本原理激光核聚變中的靶丸是球?qū)ΨQ的。球的中心區(qū)域〔半徑約為3毫米〕充有低密度〔≤1克/厘米3〕的氘、氚氣體。球殼由燒蝕層和燃料層組成：燒蝕層的厚度為200—300微米，材料是二氧化硅等低Z〔原子序數(shù)〕材料；燃料層的厚度約300微米，材料是液態(tài)氘、氚，其質(zhì)量約5毫克。有的靶丸的中心區(qū)域是真空，球殼由含有氘、氚元素的塑料組成。有的靶丸則用固體氘、氚燃料，球殼由玻璃組成。當激光對稱照射在靶丸外表上時，燒蝕層外表材料便蒸發(fā)和電離，在靶丸周圍形成等離子體。激光束的局部能量在臨界密度層處〔該處的等離子體頻率與入射的激光頻率相等〕被反射掉，另一局部能量則被等離子體吸收并加熱等離子體。等離子體的熱量通過熱傳導穿過臨界密度層向燒蝕層傳遞，燒蝕層材料蒸發(fā)并向四周飛散產(chǎn)生反作用力〔類似火箭推進原理〕，將靶丸球殼向靶心壓縮〔爆聚〕產(chǎn)生傳播的球形激波，使靶丸氘、氚燃料的密度和溫度增加，這種效應稱為向心爆聚。如果激光脈沖的波形選得適宜，則向心傳播的球形激波可會聚到靶丸球心區(qū)域，使球心區(qū)域一局部氘、氚燃料優(yōu)先加熱，形成熱斑。當熱斑中的溫度高到足以產(chǎn)生聚變反響時，則釋放出的聚變能量就可驅(qū)動通過靶丸徑向向外傳播的超聲熱核爆炸波，并在靶丸物質(zhì)移動之前就能將燃料層的聚變?nèi)剂霞訜岵a(chǎn)生聚變反響，最后將燒蝕層毀掉。因此，激光束的能量僅用于產(chǎn)生向心爆聚和加熱靶心的熱斑燃料上，不需將整個靶丸均勻加熱到熱核聚變溫度，從而降低了對激光器功率的要求。實現(xiàn)激光核聚變有直接驅(qū)動法和間接驅(qū)動法兩種：①直接驅(qū)動法是將激光束直接照射在靶丸外表上，驅(qū)動器大多是釹玻璃激光器。優(yōu)點是激光束的能量利用效率高，運行可靠，且可進展時空控制。缺點是必須要求激光束均勻照射在靶丸外表上，否則會造成向心爆聚的不對稱，還可能在燒蝕層等離子體中產(chǎn)生不穩(wěn)定性，使靶殼破壞，造成靶殼和核聚變?nèi)剂舷嗷セ旌隙档蛪嚎s〔爆聚〕效果。此外激光功率的耦合效率〔5%—10%〕和重復發(fā)射脈沖的頻率〔每秒輸出1—10個激光脈沖〕都不夠高。研究中的新型激光驅(qū)動器有KrF準分子激光器及用激光二極管泵浦的固體激光器等。KrF準分子激光器的優(yōu)點是：波長較短，激光吸收效率高，波形整形能力強，輸出脈沖幅度可變動圍大等。但還存在諸多技術問題，如激光器的效率、脈沖的重復頻率、光學傳輸?shù)膹碗s性、激光器的可靠性與耐用性及高本錢等。激光泵浦的固體激光器的優(yōu)點是重復頻率高、效率高，通過變頻可使波長變短，獲得高功率輸出，運行可靠等。存在的問題是激光二極管造價高，并需要找到長壽命熒光的激光材料。②間接驅(qū)動法是將含有聚變?nèi)剂系陌型钁以谝粋€用高Z材料〔如金〕做成的小腔，激光束通過腔壁上的小孔照射在腔的壁上〔不是直接照射在靶丸上〕。腔壁外表物質(zhì)吸收激光束的能量溫度升高，產(chǎn)生軟*射線。在薄壁層熱材料，輻射和材料之間幾乎是熱平衡的，因而形成軟*射線的輻射場。輻射熱波向冷壁傳輸，高Z冷壁被加熱并發(fā)射軟*射線，成為軟*射線的再發(fā)射區(qū)。軟*射線均勻地照射在腔靶丸上將其燒蝕，經(jīng)過向心爆聚等過程產(chǎn)生熱核聚變反響。間接法的優(yōu)點是對激光束光斑的均勻性要求不高，且軟*射線能均勻輻照在靶丸外表上，實現(xiàn)對稱爆聚。缺點是激光通過時等離子體會驅(qū)動參量不穩(wěn)定性，而且激光束能量的利用效率不及直接驅(qū)動法高。應用結果當今世界上最大的激光核聚變裝置當屬美國加州美國國家點火裝置〔NIF〕，它從1997年工程正式開場建立，2009年根本竣工，投資約合24億英鎊，占地約一個足球場大小?！皣尹c火裝置〞產(chǎn)生的激光能量將是世界第二大激光器、羅切斯特大學的激光器的60倍?？茖W家希望該激光器能模仿太陽中心的熱和壓力，用以創(chuàng)造核聚變反響。它在2010年10月完成了其首次綜合點火實驗，激光系統(tǒng)向低溫靶室發(fā)射了1兆焦激光能量，這已經(jīng)是當時世界第二大的羅切斯特大學激光實驗能量的30倍之多。而在2012年3月22日整個裝置所發(fā)射出的激光在經(jīng)過最后一個聚焦透鏡后，到達了2.03兆焦，在一舉打破紀錄的同時，也成為世界上首個2兆焦能量的紫外激光，其最終投向靶室的192束激光束射出了1.875兆焦〔MJ〕的能量。盡管超過了其1.8兆焦的設計能力，但激光系統(tǒng)并未有多余的損壞。然而，NIF的進展也并非一帆風順，它在對氫同位素進展加溫加壓的過程麻煩不斷。在一個叫做間接傳動的過程中，多束激光束會從橡皮擦大小的“輻射空腔〞的兩個開口射入，使其部產(chǎn)生*射線。之后，由*射線來加熱并擠壓輻射空腔的核燃料〔氫同位素標靶〕，觸發(fā)核聚變。然而，在輻射空腔部，激光與等離子體之間發(fā)生了意料之外的渦流交互作用，吸收了來自激光束的能量。這會抵消很多能量，使NIF的激光能量輸出達不到點燃反響堆所必須的極限閾值，所以至今NIF的科研人員還在不斷攻關中。美國國家點火裝置〔NIF〕盡管我國在ICF領域的研究起步較晚，但是自從1964年王淦昌等科學家獨立提出了慣性約束核聚變的概念以來，經(jīng)過近半個世紀幾代人的不懈努力，在慣性約束核聚變研究和高功率激光技術等方面取得了巨大的成就，先后建成了“六路裝置〞、“星光〞、“天光〞和“神光〞等大型高功率激光裝置〔如下表所示〕。下面以我國的神光裝置進展具體說明:神光-Ⅰ1964年,我國著名核物理學家王淦昌院士獨立地提出激光聚變思想,并建議了具體方案.按照這一創(chuàng)議,在我國第一個激光專業(yè)研究所-中國科學院光機所開場了高功率激光驅(qū)動器的研制和應用并于1971年獲得氘-氘碰撞中子.1978年中國工程物理研究院和中國科學院攜手合作,ICF研究進入了全面開展的新階段。近廿年來,致力于研制和應用釹玻璃激光驅(qū)動器-“神光〞系列裝置,取得了顯著進展,推動了我國慣性約束聚變實驗和理論研究,并在國際上占有一席之地。1977年，光機所利用1千億瓦的6束激光系統(tǒng)裝置，對充氣玻殼靶照射獲得了近百倍的體壓縮。使我國的激光聚變研究進入了逐級論證向心聚爆原理的重要開展階段，為以后長期的持續(xù)開展奠定了根底。1980年，王淦昌提出建造脈沖功率為1萬億瓦固體激光裝置的建議，稱為激光12號實驗裝置(神光I)。激光12號實驗裝置是建立在中國科學院光機所的一臺大型高功率激光實驗裝置，位于市嘉定區(qū)清河路390號光機所，1983年由光機所設計，總建筑面積4612平方米，為4層鋼筋混凝土框架構造，總高度15米。該裝置輸出兩束口徑為200mm的強光束，每束激光的峰功率達1萬億瓦，脈沖寬度有1ns和100ps兩種，波長為1.053μm的紅外光，可倍頻到0.53μm綠光。實驗室配有物理實驗靶室及全套診斷測量設備，能開展激光加熱與壓縮等離子物理現(xiàn)象的研究和激光*光譜等根底研究工作。1985年7月，激光12號裝置按時建成并投入試運行。試運行中成功地進展了三輪激光打靶試驗，取得了很有價值的結果，到達了預期目標。該裝置是中國規(guī)模最大的高功率釹玻璃激光裝置，在國際上也是為數(shù)不多的大型激光工程。它由激光器系統(tǒng)、靶場系統(tǒng)、測量診斷系統(tǒng)和實驗環(huán)境工程系統(tǒng)組成。輸出激光總功率達1萬億瓦量級，而激光時間只有一秒鐘的十億分之一到百億分之一?？捎猛哥R聚焦到50毫微米的尺寸上，能產(chǎn)生10萬億億瓦/厘米2的功率密度。將這樣的光束聚焦在物質(zhì)的外表，可以產(chǎn)生上千萬度的高溫，并由此產(chǎn)生強大的沖擊波和反沖擊壓力。該裝置的高精度靶場系統(tǒng)，能適應0.1毫米量級的微球靶、黑洞靶、臺階靶、各類*光靶等多種靶型的實驗需要，并具有單束、雙束及兩路并束激光打靶的功能，為進展激光核聚變新能源研究及其他多種物理研究得供了重要實驗手段。1987年6月通過國家級的鑒定。它的建成為進展世界前沿領域的激光物理試驗提供了有利的手段，對尖端科研和國民經(jīng)濟建立均具有重要意義。1986年夏天，愛萍將軍為激光12號實驗裝置親筆題詞“神光〞。于是，該裝置正式命名為神光-Ⅰ。1989年起，神光I直接驅(qū)動獲5000000中子產(chǎn)額，間接驅(qū)動獲10000中子產(chǎn)額，沖擊波壓強達0.8TPa，獲近衍射極限類氖鍺*光激光增益飽和。1990年，神光I獲得國家科技進步獎一等獎。神光-Ⅱ1993年，國家“863〞方案確立了慣性約束聚變主題，進一步推動了國家慣性約束聚變研究和高功率激光技術的開展。1994年，神光-Ⅰ退役。神光-Ⅰ連續(xù)運行8年，在激光慣性約束核聚變和*射線激光等前沿領域取得了一批國際一流水平的物理成果。1994年5月18日，神光Ⅱ裝置立項，工程正式啟動，規(guī)模比神光-Ⅰ裝置擴大4倍。神光Ⅱ裝置采用了國產(chǎn)高性能元器件，獨立自主解決了一系列的科學技術難題，到達國際最先進的高功率固體激光驅(qū)動器水平，實現(xiàn)我國這一領域新的跨越。該系統(tǒng)由激光器系統(tǒng)、靶場系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、光路自動準直系統(tǒng)、激光參數(shù)測量系統(tǒng)以及環(huán)境、質(zhì)量保障等系統(tǒng)組成，集成了數(shù)百臺套的各類激光單元或組件，在空間排成8路激光放大鏈，技術參數(shù)與當今世界上最先進的在運行的美國OMEGA裝置相當。2000年，神光Ⅱ裝置8路基頻功率到達8萬億瓦，開場試運行打靶。2000年起，直接驅(qū)動獲40億中子產(chǎn)額，間接驅(qū)動獲1億中子產(chǎn)額，直接驅(qū)動沖擊波壓強達1.5TPa，間接驅(qū)動沖擊波壓強達3.7TPa。2001年8月，神光Ⅱ裝置建成，總輸出能量到達6千焦耳／納秒，或8萬億瓦／100皮秒，總體性能到達國際同類裝置的先進水平?！吧窆猗颞暤臄?shù)百臺光學設備集成在一個足球場大小的空間。神光Ⅱ能同步發(fā)射8束激光，在約150米的光程逐級放大：每束激光的口徑能從5毫米擴為近240毫米，輸出能量從幾十個微焦耳增至750焦耳/束。當8束強激光通過空間立體排布的放大鏈聚集到一個小小的燃料靶球時，在十億分之一秒的超短瞬間可發(fā)射出相當于全球電網(wǎng)電力總和數(shù)倍的強大功率，從而釋放出極端壓力和高溫，輻照充滿熱核燃料氣體的玻璃球殼，急速壓縮燃料氣體，使它瞬間到達極高的密度和溫度，從而引發(fā)熱核聚變。神光Ⅱ已實現(xiàn)“全光路自動準值定位〞，實驗中能及時糾正因震動和溫度變化而帶來的儀器微偏，使輸出激光經(jīng)聚焦后可準確穿過一個約0.3毫米的小孔，僅比一根頭發(fā)絲略粗一點。判斷超短超強激光系統(tǒng)的性能有兩個重要技術指標：一是時間尺度，二是輸出功率。2004年4月，神光Ⅱ裝置成功突破100萬億瓦大關，輸出峰值功率到達120萬億/36飛秒。目前，國際上只有少數(shù)興旺國家的著名實驗鈦寶石激光裝置輸出功率超過100萬億瓦。這意味著神光Ⅱ在1000萬億分之36秒的超短瞬間，迸發(fā)出相當于全球電網(wǎng)發(fā)電總和數(shù)十倍的強大功率。這種極端物理條件，自然界中只有在核爆中心、恒星部和宇宙黑洞邊緣才能存在。光機所強光光學重點實驗室科技人員屢屢刷新這兩大指標，在不到１０平方米的光學平臺上創(chuàng)造出一次又一次“更快更強〞的奇跡。2006年4月13日，神光Ⅱ裝置新添的第9束激光輸出能量打破紀錄，較此前提高了5.8倍，第9路光束口徑，由前8路的每束190毫米增至310毫米，單路能量輸出達5100焦耳，離為核聚變“點火〞更近一步。截至2006年，神光Ⅱ裝置已經(jīng)累計提供運行打靶3000多發(fā)次。開展了慣性約束聚變、*光激光等研究約30輪物理實驗，獲得具有十分重要意義的結果。其中激光慣性約束直接驅(qū)動打靶，獲得單發(fā)40億中子，是國際同類裝置獲中子產(chǎn)額的最好水平。開展的物理實驗為我國ICF研究做出了重大奉獻，標志著我國激光慣性約束實驗已經(jīng)真正躍上了一個短波長、大功率激光打靶的新階段，對提高綜合國力具有重要意義。不管是國外還是國，巨型激光驅(qū)動器都是綜合國力的反映，能夠代表一個國家在這一領域的科技水平。它的研制對相關科學技術有重大的帶動作用。神光Ⅱ裝置的研制不僅為即將建造的下一代激光裝置提供極為珍貴的科學技術經(jīng)歷，而且?guī)恿宋覈牧峡茖W(激光玻璃、激光晶體、非線性晶體)、精細光學加工與檢驗(λ/10高平面度、低粗糙度、大口徑光學元件研磨技術、金剛石車床飛刀切削大口徑KDP晶體技術)、介質(zhì)膜和化學膜層技術、高質(zhì)量大口徑氙燈工藝、精細機械和裝校工藝及高壓電能源系統(tǒng)、快速電子學、控制電子學、二元光學技術等相關學科或技術的跨越式開展。而這些相關學科技術在國民經(jīng)濟中的應用前景將是相當可觀的。國產(chǎn)450mm×500mm×1000mm大KDP晶體，大口徑磷酸二氫鉀(KDP)晶體是唯一可用作激光約束核聚變中Pockels盒和倍頻器件的晶體材料，但是KDP晶體本身具有質(zhì)軟、易潮解、脆性高、對溫度變化敏感、易開裂等一系列不利于光學加工的特點，也是ICF光學元件制造中公認的最困難的環(huán)節(jié)。神光-Ⅲ1995年，激光慣性約束核聚變在“863方案〞中立項，我國科研人員開場研制跨世紀的巨型激光驅(qū)動器——“神光-Ⅲ〞裝置，方案建成十萬焦耳級的激光裝置。2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光裝置實驗室工程舉行了盛大的開工奠基儀式。該工程位于中國工程物理研究院，建筑面積28154m2，平面布置：呈長方形布置，建筑物總長178m，總寬75m，建筑構造十分復雜。規(guī)劃中的“神光-Ⅲ〞裝置是一個巨型的激光系統(tǒng)，比當前世界最大的NOVA裝置還要大一倍多。原方案它具有60束強光束,紫外激光能量達60KJ,質(zhì)量和精細性要到達廿一世紀的國際先進水平，現(xiàn)在該方案可能已經(jīng)進一步修改，以提高能量規(guī)模。慣性約束聚變點火工程〔2020年〕被已確定為"