激光核聚变

四、激光核聚变

现在人们主要使用的仍然是矿物能源石油、煤和天然气，矿物能源不仅造成环境污染和大气的温室效应，而且有面临资源枯竭的危险。有专家估计按现在生产水平，石油、天然气只能持续开采几十年，煤也只够用几百年。寻找新能源成为人类的迫切需求，经过半个多世纪的探索，科学家把创造新能源的目光锁定于核聚变。

核能有核裂变和核聚变两类。核裂变时靠较重的原子核分裂成较轻的原子核而释出能量，虽然产生的能量巨大，但还是远远比不上核聚变。裂变的核燃料贮量极为有限，还要产生强大的辐射，伤害人体，裂变后的废料也有放射性，很难处理，会贻害千年。

核聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的原子核而释出能量，辐射则少得多，核聚变的燃料可以说是取之不尽，用之不竭。最常见的是由氢的同位素氘（又叫做重氢）和氚（又叫做超重氢）聚合成较重的原子核氦而释出能量。氘和氚在地球上蕴藏极其丰富，天然存在于海水中的氘有45亿吨，据测，每1L（升）海水中含30mg氘，而30mg氘聚变产生的能量相当于300L汽油，这就是说，1L海水可产生相当于300L汽油的能量。一座1GW的核聚变电站，每年耗氘量只需304kg。

按目前世界能源消耗水平，氘可供人类用上亿年。锂是核聚变实现纯氘反应的过渡性辅助“燃料”，地球上的锂足够用1～2万年。科学家们发现，以氦-3（3He，氦的同位素）为燃料的核聚变反应比氘、氚聚变更清洁，效益更好，而且与放射性的氘、氚不同的是氦-3是一种惰性气体，操作安全，几乎无污染。地球上并不存在天然的氦-3，月球上有，估计大约有100万吨，可供地球上使用700年。人类已经在考虑开发月球了，木星和土星上的氦-3更多，几乎是取不尽用不完。

要实现核聚变并不容易，要在近亿度高温持续一段时间的条件下才能进行，地球上原子弹爆炸时可以达到这个温度。用核聚变原理造出来的氢弹就是靠先爆发一颗核裂变原子弹而产生的高热，来触发核聚变起燃器，使氢弹得以爆炸；但是，氢弹爆炸瞬间释放出巨大的能量却不能用来发电。只有让核聚变受控缓缓释放能量，才能用于发电造福人类。

激光核聚变的方法是，在一个直径约几百微米的小球内充以高压的氘-氚混合气体或固体，称为靶丸，然后用强功率的激光束均匀地从四面八方照射小靶丸，靶丸中的核燃料吸收激光的能量表面迅速膨胀，其反作用力使球面内层向内挤压。反作用力是一种惯性力，就像火箭尾部向后喷出高速气流而火箭受反作用力向前推进一样，小球内气体受挤压密度和温度都急剧升高，靶丸内氘-氚在高温下处于完全电离状态形成高温等离子体。当温度达到核聚变温度也称为点火温度，热核聚变反应就发生了。这种聚变方法称为激光核聚变或激光“聚爆”。它的特点是靠自身的惯性力来约束高温等离子体，所以又称为惯性约束核聚变。“聚爆”也是不可控的，但每次热核聚变只局限于小靶丸内起反应，释放的聚变能量有限，没什么危险性。可以用控制加入小靶丸的速度达到核聚变受控的目的。

我国是开始激光核聚变研究最早的国家之一，已故杰出的核物理学家王淦昌院士在1964年就首先提出了激光聚变的设想。我国最大的激光聚变装置“神光Ⅱ”（如图2-11所示）2000年开始运行，荣获2005年度国家科技进步奖。据2006年4月13日解放日报报道，“‘神光Ⅱ’工程日前又传喜讯，用于其固体激光器的泵浦光源摘得第九届中国专利金奖，它新添的第9束激光输出能量打破纪录，较此前提高了5.8倍，距离核聚变‘点火’更近了一步。

目前，这套国内至今规模最大的运行装置位于中科院上海光学精密机械研究所内，仿佛一列长长的巨型列车纵卧在高功率激光物理国家实验室。这趟‘激光列车’从头至尾由银光闪闪的管道和看似透明的玻璃镜相连接，‘车头’发射的激光打向一个由大球体和形形色色镜子组成的光学‘靶场’。该实验通过不断提升输出激光的能量台阶，将最终实现从核聚变研究走向可控热核聚变。世界上仅有美、日等极少数国家掌握这一关系人类未来能源发展和国防科技进步的关键技术。”

图2-11　高功率激光装置“神光Ⅱ”

当前，核聚变约束高温等离子体的办法可以分为惯性约束和磁约束两种途径，具有代表性的并取得领先地位的是激光核聚变与托卡马克装置磁约束核聚变。惯性约束核聚变除了采用激光束外，还可用电子束、重离子束等来照射靶丸，达到实现热核聚变的目的。