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美国惯性约束聚变直接照射方案取得突破
2016-10-12 08:50:00 来源：搜狐评论：0 点击：

罗切斯特大学激光热力学实验室（Laboratory of Laser Energetics，简称LLE）的OMEGA激光聚变实验系统，在实验中产生的聚变能量居世界首位，比排名第二的加州劳伦斯·利弗莫尔实验室的国家点火装置（National Ignition Facility 简称NIF）产生的聚变能量高5倍。

罗切斯特大学激光热力学实验室（Laboratory of Laser Energetics，简称LLE）的OMEGA激光聚变实验系统，在实验中产生的聚变能量居世界首位，比排名第二的加州劳伦斯·利弗莫尔实验室的国家点火装置（National Ignition Facility 简称NIF）产生的聚变能量高5倍。

在惯性约束核聚变的非直接照射方案中，激光束被转换为X射线，再轰击靶丸

西恩·雷根（Sean Regan），瓦勒尼·戈查洛夫（Valeri Goncharov）和其他合作者联名在《物理综述快报》上发表了研究论文。此外，罗切斯特大学物理教授里卡多·贝蒂（Riccardo Betti）的博士生阿里吉特·波斯（Arijit Bose）在《物理综述·快报》上发表了关于该成果的快报。

波斯在论文中称，LLE的实验条件如果复制到NIF上，可以产生100千焦的聚变能量。尽管这跟世界庞大的能源消耗相比连九牛一毛都算不上，该成果仍是美国可控核聚变长期研究计划的重要成果。该100千焦输出能量是通过100瓦的激光照射靶丸20分钟获得的，还达不到聚变燃料的点火条件。但是若使用NIF，那么这100千焦能量将在10亿分之1秒内发出，有望将燃料压缩到满足点火条件。如果点火成功，那么聚变燃料将释放出巨大能量，远远超过用于点火的输入能量。

在惯性约束聚变中，靶丸是个不到1毫米大的小球，但是可以产生相当于20升汽油燃烧所产生的能量。当然，目前人类还没能把这些能量释放出来，但是科学家在不断接近这一目标。

与国际热核聚变实验堆(ITER)的磁约束核聚变方案不同，美国一直以来支持的可控核聚变方案为激光惯性约束聚变。

科学家将LLE产生的60束激光打在1毫米大小的靶丸上，这种方法被称为惯性约束聚变（ICF）的直接照射方案。实验结果表明，直接照射法的效果相当不错，有希望取代NIF目前的非直接照射方案。NIF目前采用192束激光来实现非直接照射方案，该方案是先用黑体辐射空腔将激光转换为X射线，再用X射线照射靶丸。

尽管到目前为止，NIF还不能把燃料压缩到满足聚变条件，但罗切斯特大学和NIF科学家们已经在惯性约束领域积累了丰富的经验，实验结果正在不断趋近最终的聚变点火目标。

波斯表示，直接照射方案至少和先进核聚变研究项目支持的其他方案不分伯仲。

LLE和NIF都是惯性约束聚变实验系统。惯性约束聚变的原理是：在极短时间内加热和压缩靶丸，将靶丸中的氘-氚燃料压缩到聚变条件，从而释放能量。聚变开始的物理条件是：燃料原子的热运动速度必须足够快。

惯性约束聚变的主要挑战是：必须让聚变燃料持续稳定燃烧，直到靶丸中的所有燃料都参与反应。燃料持续燃烧的原理是：最初的反应会形成氦原子核，同时释放出热量；这种热量把燃料原子加热到聚变条件，使得反应持续。由于氦原子核也称α粒子，因此这个过程也称为α加热。

LLE副主任和研究团队成员米切尔·坎贝尔表示，直接照射方法有望实现α加热，但还需要更多的技术攻关。

其中一项技术难题是让60束激光均匀照射在靶丸上。如果照射不均匀，那么燃料将不会被均匀挤压和加热，能量将从受力较薄弱的部位散失，聚变将不会发生。但是均匀照射下，能量被锁闭在靶丸中不会散失，就能达到聚变条件。如果能实现均匀照射，根据推算，NIF采用直接照射方案将很有希望达到点火条件。

LLE还要进行其他两项技术改进：让靶丸更容易被压缩；深入分析靶丸加热过程的物理机理。为了达到后一项目标，科学家制造了能够以每秒40万亿帧的速度拍摄靶丸内爆过程的X射线成像相机。

依靠这些改进，科学家有望进一步提高惯性约束聚变的投入产出比。

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