欧洲欲借新型核聚变装置另辟蹊径

在核聚变领域一直落后的欧洲可能也会为此感到骄傲。

法国30亿欧元的激光聚变反应实验室将在反应室中放置超焦激光。资料来源:PATRICK LANDMANN

对于任何熟悉激光核聚变的研究人员来说，参观去年刚刚在法国大西洋海岸建成的耗资30亿欧元的激光美加焦耳(以下简称LMJ)研究设施，都会让人产生似曾相识的错觉。我们在现场看到的与加州国家点火设施(NIF)的“完全一样”。

LMJ和NIF占地面积相同，大约有一个体育场那么大，有闪亮的白色金属框架，同样的方形光管和一个10米宽的反应室。不同的是，这里的咖啡品种更丰富，安全控制不是很严格，游客可以参观更多的地方，获得更多的信息。然而，总的来说，进入LMJ就像进入NIF的另一个核武器实验室劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，只是世界被法国控制了。

“双胞胎”核聚变装置

这种相似不是巧合。这两个地方的设施都是为了同样的目的而建造的——也就是说，让几十束强激光射向一个目标，在瞬间形成极高的温度和压力。这两个实验室之间也有广泛的合作，这两个设施也用于军事目的:复制小型核爆炸，以便核武器科学家能够确保在需要时不经测试就能引爆。与美国的类似装置相似，法国装置的另一个目的是实现惯性核聚变研究。激光脉冲被用来打破氢同位素的胶囊，使氢同位素融合成氦，释放其中包含的巨大能量，将来有一天这些能量将被用于核电站。

然而，与NIF最初目的最大的不同是，LMJ的主要目的是绝密武器。在NIF于2009年完工后，利弗莫尔的研究人员启动了一项实现点火的应急计划——即制造一个自我维持的核聚变反应堆，并产生点火所需的巨大能量。然而，他们实现这一研究目标的计划失败了，实验方法也改变了。

法国LMJ建造商CEA也希望点燃，因为这是核武器研究和能源研究的基础。"驱动装置设计的是激光点火的目标."LMJ项目负责人皮埃尔·维维尼说。但是利用激光聚变发电的研究项目将留给该机构以外的学者，他们要到两年后才能接触到这种设备。当他们参与时，一些主要的设计差异可能会给LMJ一个比NIF更有利的点火时机。

从本质上来说，这两种设备就像“双胞胎”像NIF一样，LMJ的研究人员也在使用光纤激光器来产生一束仅持续几十亿分之一秒的红外光。然后，这束较弱的红外线将进入前置放大器——在脉冲到达之前，氙闪光灯被用来给厚的掺钕激光玻璃片填充能量。它们将能量转移到光束中，达到1焦耳，然后分成许多平行光束，送到主放大镜(相同的掺钕激光玻璃和相同的大肠灯，但规模更大)。

操作原理

LMJ有22个主要放大镜链，位于大楼周围的四个大厅。每个放大镜可以容纳八组平行光束。在每次激光照射中，八组光线在四组放大镜之间来回反射，将能量增加到20，000倍。精心设计的放大镜阵列将围绕球形反应室所有方向的176束光线。最后一组光学透镜将会把红外光转变成紫外光，并把它们聚焦在反应堆中心尖端大小的一个点上。将这些灯重新组合在一起，将向反应室中心的目标点传递1.5兆焦耳的能量——大致相当于一辆载重量为2吨的卡车以每小时140公里的速度行驶时的动能。NIF激光可以传送1.8兆焦耳的能量。

由于资金限制，目前只有一个主要的放大镜链供在线使用。然而，这足以启动核武器研究。法国原子能委员会核武器研究主任弗朗索瓦·格列兹尼科夫说:“有了八组平行光，我们就能做大科学。但研究武器并不需要所有的光。”该设施将每年至少补充另外两个放大镜链(16束光)，直到在未来十年全面运行。但在此之前，所有来自欧洲的IFE研究人员都被承诺占用至少20%的设备使用时间。“一年50次激光照射真的能让我们完成一个大的科学项目。”波尔多大学的等离子体物理学家迪米特里·巴塔尼说。

他们的项目计划包括一些与NIF战略大相径庭的领域。例如，他们已经获得了一个单独的激光资助项目，计划安装在LMJ设备上，可以提供比NIF更短、更强的激光脉冲。这个项目被称为“帕塔瓦特阿基坦激光”(以下简称“帕塔瓦特激光”)，可以产生相对温和的能量脉冲，最高可达3.5千焦。然而，这些能量将在百万分之一秒内被压缩，并产生超过千兆瓦的能量(LMJ脉冲的100倍)。花瓣的激光脉冲不会分解并向各个方向传输；它们将来自一个方向，并有一个设定的时间与主激光脉冲碰撞。在实验中，他们将提供瞬间突然产生的能量。

这个结合了花瓣和LMJ的实验将模拟恒星和其他天体的内部过程。研究人员还将使用强大的激光冲击来加速质子——这种方法可以制造出用于癌症治疗的紧凑型加速器。让激光核聚变研究人员兴奋的是来自花瓣的短暂剧烈爆炸的前景，花瓣可以用作核聚变反应的火花塞。

他们希望以这种方式使用花瓣可以帮助生命科学研究人员避免NIF遇到的一些障碍。任何IFE项目的关键要素都是一个燃料舱——一个塑料球体，大小类似于干燥的胡椒，里面装有冷冻的氘和氚(氢同位素，核聚变的燃料)。放置在反应室中心的塑料胶囊被激光脉冲的极高温度汽化后，会产生向内的破裂力，将燃料挤压到铅密度的100倍，并将其加热到1亿开尔文摄氏度，这个温度足以点燃核聚变。

点火路线

在NIF和LMJ的武器研究实验中，研究人员将燃料舱包裹在一个金属壳中，间接向内引爆了燃料舱，该金属壳可以被激光加热，然后用x光击碎燃料舱。这种方法有一些优点，它可以平滑激光束的缺陷，而且在向内爆破的过程中，x光比紫外线有更多的优点，但是它使靶变得复杂和昂贵，这不是科学家们想要产生能量的方式。NIF的研究人员也试图使这种方法奏效，但在将其转化为x光的过程中，能量损失了，向内爆破并没有顺利进行。

IEF武器实验室外的研究人员想用不同的方法解决这个问题。通过移除金属壳并将激光束直接对准胶囊，可以避免将紫外线转换成X射线时的复杂性和能量损失。为了获得平滑和对称的向内爆破，许多科学家建议以较慢的速度推进这一过程。然而，压缩燃料不能被加热到足够高的温度来让核燃料自行运行。仍然需要另一个点火装置来启动聚变反应堆。

一个可能的解决办法是快速点火。日本大阪大学是这一领域的先驱。这种方法使用快速高能激光脉冲点燃——花瓣可以产生这样的脉冲。在过去的十年里，综合实验堆研究人员已经提出建造一个基于快速点火的示范综合实验堆。然而，由于NIF远未达到点火能力，该计划没有动力，但其支持者希望通过LMJ-花瓣组合给它新的动力。

最近在相对低功率的设备上的实验表明，花瓣可能不能提供一个沉重的打击来触发快速点火。但是由纽约罗切斯特大学领导的另一个选择可能会拯救这个困境。像其他技术一样，这种被称为“冲击点火”的技术也被用来挤压燃料舱，利用自主激光器发出的激光脉冲。然而，在挤压结束时，激光会突然增加其能量，产生冲击波并将其传输到燃料中心。当冲击波到达反应堆中心时，压力的突然增加会激活反应堆。“奥米加装置(罗切斯特大学的激光器)进行的实验和其他地方的一些实验非常令人鼓舞。这一阶段所需的激光条件(冲击点火)似乎比快速点火更有希望。”英国*激光研究所核聚变研究员克里斯·爱德华兹说。

在通过LMJ-花瓣装置实现核聚变能源的过程中，研究人员也面临着来自社会和政治的挑战。欧洲的IFE科学圈相对较小，以前从未经历过如此大规模的设备或武器安全实验室项目。"光是LMJ就像沙漠中的一座教堂."巴塔尼说，“研究人员对此非常感兴趣，但同时他们也持怀疑态度。许多人不相信它是科学研究的工具。”此外，CEA还需要克服不愿与学术研究人员共享模拟代码的心理，学术研究人员担心这样做可能有助于“流氓国家”研究热核武器。巴塔尼说，“我们需要可靠的模拟实验，但是没有开放的代码。”此外，欧洲传统上一直专注于另一种不同的研究方法——磁约束聚变，它也有其代表性的装置:在法国卡达拉奇建造的数十亿欧元的国际热核聚变实验堆(ITER)。

“如果LMJ的电击点火法可行，政治家们的态度会变得更加积极。”巴塔尼说。在核聚变方面一直落后的欧洲也可能为此感到自豪。(李冯公主)

中国科学新闻(2015-019第三版国际版)

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