在美国加州的一所国家实验室中,研究人员很快就将利用世界上最大的激光束试引燃自维持核聚变反应堆如果试验成功的话,将标志着在丰富的核聚变能源的道路上迈出的第一步。
新的起点:通过这个圆形的进入孔,我们可以瞥见一个直径为10米的靶室在试验过程中,该靶室内强大的激光束将引燃小规模的热核爆炸激光束将穿过靶室底部的正方形端口(还将在靶室顶端穿过更多的端口,图中未显示出)。各种测试仪器将接入这些圆孔来观察靶室内发生的爆炸延伸至靶室中央有一台摄像机,用于拍摄激光束的整个发射路径,检查反光镜和透境是否受到损坏
美国国家点火设施(NIF)位于加利福尼亚州的劳伦斯利佛莫尔国家实验室,占地有三个足球场那么大,整座建筑呈不规则形状向外扩张。工人们正在加紧组装国家点火设施的最后一部分部件。他们头戴发网和安全帽,身穿实验室工作服,手上还戴着橡胶手套,聚集在靶室内。这间靶室是一个直径达10米,壁上布满48条铝质导管的圆球体,导管中共存放着192个激光器。NIF的运营经理布鲁诺·范·万特海姆(BrunoVan Wonterghem)表示,每束激光都是目前世界上最强大的激光,它们组合起来传送的能量是单独激光的50-60倍。
工人们正准备在锥形杆的底端安装一个重要设备,即目标定位传感器。锥形杆可延伸到靶室的中央。科学家将利用定位传感器把一个橡皮擦大小的金质容器放置到靶室的中心,并使之与激光束成一条直线。在将来进行的一系列实验中,如果不出现什么差错的话,激光束将连续发射3-20纳秒长的脉冲,击打金质容器,由此产生高能量的x射线族。这些射线将产生含有氢同位素的直径为两毫米的粒状物并引发粒状物的内爆。“所有这些动能都将被转化为热能。”范·万特海姆介绍道。该氢粒状物将达到1亿摄氏度的高温,密度则是铅的100倍一足以引发热核反应。
核聚变,即原子核结合形成一种新元素的原子,是为核弹和太阳提供能量的主要反应(在NIF实验中,氢同位素组合形成氦原子,同时释放中子和x射线)。核聚变很久以来一直被看作是一种潜在的丰富能源,但核聚变反应必须能够在一个人为可控装置中进行。控制核聚变反应极具挑战,原因是温度达到氢同位素的熔点要求的等离子体,其热度之高足以毁灭任何该等离子体的制造材料。科学家构想了两个解决方案。第一个也是最常用的一个方法是,将等离子体限制在一个强大的电磁场中。由多国筹建、耗资达140亿美元的国际热核聚变实验堆(ITER)就将采用此方案。ITER位于法国,预计将在2018年投入使用。
而NIF的解决方案则与ITER完全不同。利用激光压缩氢燃料,可模拟出一颗星体内部的极热状态和密度。因此产生的核聚变反应是通过限制燃料的数量来控制,而不是通过电磁强度来控制。NIF实验产生的热核反应非常微小,在一个直径1O米的密室里就可以进行。事实上,NIF的主要任务是通过重新构建恒星内部或核弹起爆时其内部的物理条件,来探索高温高密度物理学的奥秘。
研究人员一直在讨论哪种方式对发电来说更有用,目前下这个结论还为时过早。不过,NIF看上去似乎会在基于激光的聚变能方面首先迈出具有里程碑意义的一步:激光发射的能量虽然不大,却产生了能量巨大的自维持的核反应,大于激光输入的能量。以前的实验和计算机模拟显示,192条射线产生的能量恰能够引起这样的一个链式反应——这些反应会持续进行下去直到氢燃料全部耗尽。目前,核聚变能被人们掌控并用来发电还面临着巨大的挑战,但受控的聚变燃烧是“一件惊人之举,”劳伦斯利佛莫尔国家实验室的副主任、NIF负责人爱德华摩西(Edward Moses)表示,“我们认为人类正在进入一个新时代。”
激光秀:光纤线圈(对页)内首先产生出直径为50微米的激光束,这些激光束通过一个简单的二极管获取能量,并逐渐增长成能量强大的激光。起始脉冲被放大lOOOO倍并分裂为48束激光。随后,每束激光被传送到各自的前置放大器中。图中显示的是放在维修室中的一台前置放大器。这些前置放大器被置于一个轨道系统,可将激光束的能量增强200亿倍。在这一阶段,各激光束在钢管中被分裂成4条激光并进入不同的路径分别进行传输。
激光湾:激光束在两个大空间中被增强15000倍,并达到能量峰值。上图:借助一个光学开关,放大器在四次放大激光束后,才将其发射到目标路径中去。这个光学开关并未使用传统的会被激光束蒸发的电极,而是使用一个等离子体(紫色部分)传送电荷。右图:为了制造放大器所需要的3072块一米长的掺钕光学玻璃,研究员们不得不发明出新的快速制造法。
发射激光束
引燃核聚变并不容易,它要求一个能够集结巨大能量并精确控制(可在微米级测量到达目标的情况)这些能量的设施。这将是“一个了不起的令人惊叹的科技进步。”麻省理工学院核科学与工程系教授伊恩·哈奇森(Ian Hutchinson)表示。
在工人们安装目标定位传感器的那个下午,其他人正聚集在配有超大屏幕和工作站的控制室里,准备进行一项带燃料试射:为安全起见,此试验被安排在工人们离开激光间和靶室的夜间进行。
发射激光要求设置6万个不同的控制点。将激光脉冲发射到目标位置的操作次序非常复杂,人工根本无法控制。范万特海姆表示,在所有人工设置完成之后,一个由1500台计算机组成的计算网将接手接下来的工作并执行倒计时。而所有工作人员的手都要不停跟进各种紧急关闭按钮,以防发生意外。
如果一切正常的话,激光束发射的脉冲能量将是美国目前最大发电能力的500倍。脉冲将引燃热核反应,创造出“人造小太阳”。能量增加
在投入发电应用之前,种种重大障碍还依然存在。核聚变反应预计将产生激光能量的10-20倍。但这并没有把激光器产生激光所需的能量计算在内:将电能转化成激光的效率非常低。如果弥补浪费掉的电能,再加上发电所需要的能量,核聚变反应产生的能量,应该达到激光能量的100倍才行。
摩西在凌乱的办公室里说道,至少有两种方法可能克服这个问题。一种方法是合并两个激光脉冲,这一过程称为快点火(fastignition)。理论上这种方法能够减少使核反应持续进行所需的激光能量,但NIF目前并未建立相关的设施。此方法将首先在其他在建的激光核聚变项目中尝试,不过最终NIF也将使用此方法。
另一种方法是将核聚变反应和核裂变反应结合起来,即传统的核电厂使用的反应法。此方法虽无法提供核聚变反应可生成的近似无极限的能量,但它能够从铀元素中提取能量,使能量成倍地增加,从而大大地改进本已十分丰富的铀燃料。同时,采用这种方法能够消除
绝大部分因核聚变反应产生的长期性放射性废物,从而回击了有关核裂变反应的最大反对之声。“目前,我们只得到了所有可用能源的O.5%-1%,我们还能得到另外99%的能源。”摩西表示。
NIF的研究员们已经制定了一个结合核聚变和核裂变的详尽的概念性规划。核反应堆只能利用铀元素部分能量的原因在于,不断增长的反应产物最终会妨碍产生能量的主要的链式反应。核聚变反应能够不断地供应中子流,使反应链保持下去,直至用完所有燃料中的能量。
可以确定的是,并非所有人都同意基于激光的核反应是可以实现的。一些怀疑者提出具体的质疑,即NIF能否实现自维持的核聚变反应,他们表示试验场在持续发射高能量激光脉冲的过程中必定会损坏光学元件,或者无法时时刻刻顾及到平衡压缩燃料的目标定位传感器。即便试验场能够进行持续的核聚变反应,电厂发电也要求激光能够每秒钟引燃10-15个燃料块。NIF的激光在发射期间需要不断进行冷却,最多每2~4小时才能发射一次。“即使NIF如预期般成功,也将需要漫长的征程,才有可能将一个试验场的实验结果变为实际的能源。”哈奇森说道。
NIF已经看到了一些成功的曙光。2009年初,192束激光同时发射并达到了引发核聚变反应所需的能量值。不过,以前在劳伦斯利佛莫尔国家实验室进行过的其他激光项目都没有成功地引燃核聚变。尽管从以前的失败中学习到了可贵的经验,但这还不足以保证这次就能成功。好消息是过不了多久研究员们就能知道答案:在进行一系列的发射试验之后,他们希望在两年内能够最终成功。“我们期待着听到一些成果。”哈奇森说。
商业应用:每个铝合金管(对页)会传送四束激光到目标靶室中(底部蓝色标示处)。它们都安装有检修窗,可将被激光束损坏了的聚焦光学器件取出来进行修复。激光束进入靶室之,首先会穿越晶体(取自一米见方的塔形锥体,见左图),晶体将红外线转换为紫外线。激光束最终汇聚到圆柱容器中(图中上方),该容器安装有散热器(长臂状)和加热线圈(缠绕在圆柱容器上),用于将容器内的直径两毫米的氢气球体冷却到﹣253℃。从直径40厘米聚焦到不及一根头发直径的激光束,从9毫米长的圆柱容器的两端进入容器内部,在容器内壁碰撞,产生x射线,压缩并点燃燃料块。
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