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中国工程院第三次院士大会学术报告汇编
1997年7月
惯性约束聚变能源与激光驱动器
范滇元 贺贤土
摘 要
聚变能源是一种“干净的”几乎取之不尽的能源。研究进展表明，有希望在廿一世纪中叶实现商业发电。惯性约束聚变则是实现聚变能源的可能途径之一。八十年代末，美国用地下核爆的辐射能量成功地驱动惯性约束聚变，证实了这一技术路线在科学上的可行性。九十年代以来，许多国家制定庞大的发展计划，以“点火”为目标，建造百万焦耳级的巨型激光装置。同时，并行地开始了用于聚变能电站的驱动器研究。我国已有三十多年研究基础，现已制定跨世纪的“神光-Ⅲ”计划，将在下世纪初建成十万焦耳级的激光装置，开展相关基础物理研究。
正文 一. 聚变能源是地球上的人造小太阳
能源是人类赖以生存的基本条件。据估计，到下世纪中叶前后，全世界能源消费的需求将超过传统能源的供给能力，必需开发新的能源以弥补其短缺。聚变能源是新能源的重要候选者之一。
氢的同位素氘和氚在高温下聚合成氦核并释放出中子的过程称为“聚变”。太阳的巨大能源即来源于聚变，而氢弹的爆炸则是地球上人为的聚变反应。如果能在人工可控条件下实现聚变反应，则可以提供几乎取之不尽的能源。和传统能源相比，聚变燃料具有最高的比能。
然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。首先要有1亿度左右的高温；其次，参与反应的粒子密度要足够高并能维持一定的反应时间，即‘nτ’值要达到1014 （秒/厘米3）以上，这就是著名的劳逊判据。
为了实现上述条件，目前有两条技术途径：磁约束聚变（MCF）和惯性约束聚变（ICF）。惯性约束聚变的基本思想是：利用激光或离子束作为驱动源，脉冲式地提供高强度能量，均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸，利用反冲压力，使靶的外壳持续向心运动，压缩氘氚燃料到每立方厘米几百克质量的极高密度，并升温到热核点火温度；驱动脉冲宽度为纳秒级，在高温高密度热核燃料来不及飞散之前，即完成反应过程并释放出核能。实际上这和太阳的聚变过程相仿，只是约束高温等离子体的方式有所不同。六十年代初，我国激光聚变研究刚刚起步的时候，钱学森院士就形像地指出：你们的事业是在地球上人造一个小太阳！二. 惯性约束聚变的科学可行性研究走向聚变能源要历经三个里程碑阶段：* 得失相当（breakeven）：聚变释放的能量等于触发聚变反应所输入的能量；* 点火（ignition）：聚变能产生的速率足够快使等离子体维持在所要求的温度而不需要附加加热；* 商用（commercial viability）: 在工程设施上聚变过程产生纯能量输出；同时经济效益可以和其它能源相竞争。惯性约束聚变研究始于六十年代激光出现后不久，至今已有三十多年，取得显著成效。证实了原理可行性，探索出可行的科学技术途径，实验室条件下的聚变“点火”指日可待。
1. 惯性约束聚变的物理过程和驱动方式惯性约束聚变的物理过程
（1）加热 （2）压缩 （3）点火 （4）燃烧(1)加热: 激光（或离子束，X光辐射）照射靶丸，快速加热表面(2)压缩: 靶丸表面物质向外喷射，形成的反冲压力将靶丸向心压缩(3)点火: 靶心燃料被压缩到20倍铅密度，并在108度高温下点火(4)燃烧: 发生热核爆炸并迅速扩展到整个燃料，从而释放核能，并
大于输入能量若干倍有两种方式驱动上述聚变反应：* 直接驱动激光束直接照射氘氚靶丸。这种方式有较高的效率，但是为了达到高倍的压缩，要求驱动光束在4?立体角方向极为均匀地照射靶面，均方差小于1-2%. 这是极其困难的。* 间接驱动
为了避开这一难点，提出了另一种称之为“间接驱动”的照射方式，如下图。
此时激光束照射包围靶丸的外壳内壁，产生X光辐射，X光经输运和均匀化后再加热氘氚靶丸。也可用离子束作驱动源，如下图，离子束先轰击围绕靶丸的物质，转换为X射线，然后由X光加热靶，从而实现间接驱动的聚变反应。* 快点火不论那种驱动方式，对驱动器的能量和质量要求均很苛刻。近年来，提出了一种新的点火手段，这就是在进入聚变第三阶段时，外加一束高强度超短脉冲，注入到稠密等离子体燃料内，快速地点燃并扩展到整个体积。理论研究表明，把原先的中心点火方式改进为体点火，可以大幅度降低对驱动能量的要求，已成为国际研究的热点。
2. 惯性约束聚变研究进展
惯性约束聚变研究在世界范围内取得重要进展，美国里弗莫尔国家验室最为先进，从1975年至今，建造了六代激光驱动器，输出功率提高了近五个量级，取得一系列重要靶物理成果。其发展情况可归纳为下表，纵座标是达到的n?值。
究竟需要多少驱动能量才能达到点火和能量增益呢？八十年代末，美国实施“百人队长”计划，利用地下核爆辐射的X光作为驱动源，辐照氘氚靶丸，成功地实现了具有10-100倍能量增益的聚变反应。而且实验结果和LASNEX程序计算相符。从而证实了惯性约束聚变的科学可行性，也明确了需要有百万焦耳级的驱动能量才能满足要求。
这一结果公布后，很大地推动了国际ICF研究。1989年主要国家科学家聚会西班牙，发表了著名的“马德里宣言”，号召全世界科学家合作，向点火目标前进。1994年国际原子能署（IAEA）召开的惯性约束聚变驱动器国际会议上，美国能源部官员M.Sluyter在综述报告中, 形象地展示了美国的目标及各阶段计划的衔接关系, 如下图(图中,ETF是Engineer Test Facility):
国际上已投入运行的激光器和计划建造的巨型装置，归纳为下列两表。国际主要钕玻璃激光装置激光装置国 家 及 实 验 室输出能量束数建成时间GEKKO-XII日本大阪大学ILE15KJ/3ω121983PHEBUS法国里梅尔实验室10KJ/3ω2VULCAN英国卢瑟福实验室
2KJ/3ω8HELEN英国原子武器中心1KJ/1ω1NOVA美国里弗莫尔实验室40KJ/3ω101984OMEGA美国罗彻斯特大学LLE30KJ/3ω601995Beamlet美国里弗莫尔实验室6.4KJ/3ω11994计划建造的巨型钕玻璃激光装置 装置名称国家及实验室能量/波长束数预定进度NIF美国里弗莫尔1.8MJ/3ω1922002MLF法国核武器所1.8MJ/3ω2402005100-TW英国武器中心＞100KJ/3ω32金钢日本大阪大学＞100KJ/3ω尚未批准美国“国家点火装置”（NIF）的设计目标是实现点火并达到5倍能量增益。设计工作区在点火阈值的两倍处，留有余地，如图。
* NIF的主要技术指标输出能量: 1.8MJ, 500TW (3ω);功率平衡: <8% rms (2ns范围内);靶瞄准精度: <50μm;插头效率: 1% (电能到3ω光能)高能发射次数(年):产额为1KJ-100KJ 100次产额为100-500KJ 35次产额为5MJ-10 MJ 10次* 激光系统结构* 激光束由192子束组成, 每束口径40×40cm, 输出10KJ;* 192束分成四大路, 每大路由12×4列阵组成;* 激光装置大确厅面积200米×85米.* 靶场宽30米、高30米;* 激光束从上下方向射入真空靶室, 光学元件离开球壁4米;然而，包括NIF在内的所有装置都只能做到聚变能源的科学可行性验证，并不能成为聚变能电站。关键在于，驱动器只能单次发射（几小时一次），而且驱动器本身的能量转换效率不高，约为1%左右。三. 惯性约束聚变的工程可行性研究为实现惯性约束聚变商用能源的里程碑目标，需要满足下列四个条件：（1） 高增益靶-输出的聚变能量比输入的驱动能量大50-100倍；（2） 驱动器能以5-10Hz的重复率工作，插头效率达10-30%；（3） 靶的成本降低到25美分左右，且年生产率达到1亿个；（4） 装置具有长达30年的使用寿命。
为此开展了高效率、可重复率运转的驱动器研制和聚变能电站的总体概念设计。
用于聚变能电站的候选驱动器主要有：* 半导体激光泵浦的新型固体激光器* 氟化氪激光器* 重离子和轻离子加速器
下面我们以上列第一种类型的方案设计为例，说明有关的研究进展。
第一种激光器与现有装置不同在于：用半导体激光管代替氙灯，用作固体激光器的泵浦源；选取择与之匹配的激光工作介质：Yb:S-FAP晶体。以此为基础，里弗莫尔实验室科学家完成了全半导体激光泵浦固体驱动器(DPSSL)的聚变能电站设计。他们在技术上详细地分析和计算了DPSSL聚变电站的方案和造价, 编制了1400行的计算机程序，得到的结果是:发电功率 100万千瓦;电费成本 每度电费8.6美分;电站总造价 ＄4.6B (46亿美元).激光系统的3ω总能量 4MJ插头效率(从消耗电能到3ω激光能)η= 8.6%;靶增益 G=76，即ηG～7激光器及电站示意图如下。他们的结论是:“DPSSL is leading candidate for IFE”.四. 国ICF激光驱动器研究概况和展望
1964年,我国著名核物理学家王淦昌院士独立地提出激光聚变思想,并建议了具体方案. 按照这一创议,在我国第一个激光专业研究所-中国科学院上海光机所开始了高功率激光驱动器的研制和应用并于 1971年获得氘-氘碰撞中子. 1978年中国工程物理研究院和中国科学院携手合作, ICF研究进入了全面发展的新阶段。近廿年来, 致力于研制和应用钕玻璃激光驱动器 -“神光”系列装置, 取得了显著进展, 推动了我国ICF实验和理论研究, 并在国际上占有一席之地.
1.“神光-Ⅰ”装置建成于1986年。该装置输出两束口径为200mm的强光束，每束激光的峰功率达1012瓦，脉冲宽度有1ns和100ps两种，波长为1.053μm的红外光，可倍频到0.53μm绿光。“神光-I”装置建成后连续运行八年,在前沿物理实验研究中取得一批国际先进水平的成果，主要有：* 我国首次间接驱动内爆出中子实验成功* 极高压下材料状态方程的高精度测量 * 类氖锗X光激光达增益饱和并具有近衍射极限的光束质量* 复合泵浦X光激光研究获得一系列国际首次报道的新谱线, 并向短波长推进到4.68nm
2.“神光-Ⅱ”装置
和Ⅰ号装置相比，规模扩大4倍，可输出8束强光，立体地照射氘氚靶丸。红外波长的激光能量达6KJ/1ns，并可变换到0.35μ的紫外激光。脉冲宽度有1ns、100ps、20ps和1ps四个档次。
目前,该装置已进入总装调试阶段, 计划1998年投入试运行。它将是我国“九五”及“十五”期间ICF研究的主要驱动器。
3.“神光-Ⅲ”装置为了开展更深层次的ICF物理研究(包括点火预研究)，以满足廿一世纪发展需求，制定了研制“神光-Ⅲ”装置的规划，并已开始概念设计和可行性论证。规划中的“神光-Ⅲ”装置是一个巨型的激光系统，比当前世界最大的NOVA装置还要大一倍多。它具有60束强光束,紫外激光能量达60KJ,质量和精密性要达到廿一世纪的国际先进水平。
我国激光驱动器研究的现状和发展前景：* 现在到下世纪初，“神光Ⅱ”装置运行并精密化--8束，2.4KJ/3?* 2000年前后，研制“神光Ⅲ”装置的双路原型--2KJ/3?* 2004年前后，建立“神光Ⅲ”装置--60束、60KJ/3?* 2010年前后，研制“神光IV”装置--点火装置
神光Ⅲ装置是世纪之交我国历史上光学领域最宏伟的科学工程，必将全面带动相关科学技术攀登世界水平，是我国综合国力在科技领域的标志性体现，其作用和意义不亚于当年的“两弹”。这是挑战也是机遇，在走向聚变能源的道路上需要几代人的不懈努力。
不论是国外还是国内,巨型激光驱动器都是综合国力的反映,能够代表一个国家在这一领域的科技水平.它的研制对相关科学技术有重大的带动作用.下面,以“神光-Ⅲ”为例,作几点说明.
“神光-Ⅲ”装置是多种学科、多种技术的综合集成.下面列举所涉及的十个技术门类和相关内容:1. 激光器件和单元
激光振荡器;脉冲整形器;电光和磁光隔离器;空间滤波器;组合式多程放大器;频率变换器.2. 激光和光学技术
超短脉冲激光技术;光纤和集成光学技术;半导体二极管泵浦技术自适应光学技术;二元光学技术等.3．光学元件
高光学质量(Δn～10-6量级)、高破坏负载(15～18J/cm2)、大尺度(350×350mm或更大)的钕玻璃、光学玻璃、石英玻璃、非线性晶体等材料,以及若干特种功能材料.4. 光学薄膜
与光学材料匹配的大口径、高负载、多波长和多种功能的光学薄膜,如增透膜、高反膜、分光膜和偏振膜等.除采用真空镀膜工艺外,还将大力发展和应用Sol-gel 镀膜技术.5. 精密光学冷加工和检测
大口径、1/10波长平度、0.5纳米表面粗糙度的光学冷加工和相应的检测手段;以及对大口径晶体材料(如KDP)的金刚石车床切削加工.建立和完善相应的检测手段,如移相式干涉仪、哈特曼波面测量仪、计算全息波面实时测量仪、粗糙度测量仪等.6. 高精度诊断和测量(超快时间、大口径空间、宽光谱、高能量)
具有微米级空间分辨率的焦斑测量、具有皮秒级时间分辨率的脉冲测量、2%精度的紫外光能量测量、时间分辨的光谱测量、动态范围达4个量级以上的光强分布测量等.7. 电工技术
激光器的电源是一个庞大的电工系统.工作方式是单次储能和脉冲放电.储能能量(电能)约30MJ;以闪光灯(氙灯)为负载放电,脉冲宽度一般为0.5～1ms; 并行的放电路数约为2000路;多路放电的时间同步精度要求5～10μs;一般用电容器作为储能元件,充电电压重复精度要求0.05～0.1%.充电电压23KV,每路放电的峰值电流约10KA,为此,要有效地防止强电磁干扰.研制高比能电容器(1KJ/dm3)是提高性能、降低成本的重要途径.8. 精密机械和真空系统
在驱动器系统中,激光束要经过数百米的长光路和数百个元件,最后以极高精度聚焦到微型聚变靶丸上.瞄准精度为1.5″左右.因此对整个系统的机械结构都有严格的要求,尤其是集中在靶场系统上.初步估计,在靶场中约需250台口径为500mm的伺服反射镜,而且要以不同的角度分布安放在20米高的桁架上.反射镜和桁架结构的稳定性和调整精度都要满足秒级要求,难度是很大的.此外,ICF靶室还是一个大型的真空系统.最大容积约60立方米,真空度要求10-6乇(空腔时).将从传统的分子泵、离子泵发展到高抽速的低温冷凝吸附泵.不论何种类型的真空泵,都要求尽可能低的振动,以免影响光学对准的精度.9. 计算机和自动控制技术
光路自动准直和靶瞄准;多媒体运行指挥系统;仿真模拟技术;以图像为主的数据采集和处理;第三代计算机辅助设计10.实验室环境工程(地基、建筑、洁净、恒温、低湿度)
主实验室的使用面积约在1万平米以上,要求恒温到0.2～0.5℃;相对湿度小于50%(最好小于40%);洁净度分别为100级、1,000级和10,000级;地基必需隔振,振幅要小于几微米等等.
上述各项技术要求,大多数达到有关领域的“顶级”水平.同时,还要求能较大幅度地降低造价.因此,必需有显著的创新,才能同时做到高水平和低造价.无疑将大大推动技术进步,向国际先进水平迈进.
ICF事业的最终成功需要几代人的努力。在王淦昌、王大珩、于敏等老一辈科学家带领下，已奋斗了三十多年,取得瞩目成果。从历史的长剧来看，不过是一个序幕，序幕还不是高潮，高潮还在后头。二十一世纪的惯性约束聚变研究将是年青一代科技工作者大显身手的午台。中国工程院第三次院士大会学术报告汇编
1997年7月
惯性约束聚变能源与激光驱动器
范滇元 贺贤土
摘 要
聚变能源是一种“干净的”几乎取之不尽的能源。研究进展表明，有希望在廿一世纪中叶实现商业发电。惯性约束聚变则是实现聚变能源的可能途径之一。八十年代末，美国用地下核爆的辐射能量成功地驱动惯性约束聚变，证实了这一技术路线在科学上的可行性。九十年代以来，许多国家制定庞大的发展计划，以“点火”为目标，建造百万焦耳级的巨型激光装置。同时，并行地开始了用于聚变能电站的驱动器研究。我国已有三十多年研究基础，现已制定跨世纪的“神光-Ⅲ”计划，将在下世纪初建成十万焦耳级的激光装置，开展相关基础物理研究。
正文 一. 聚变能源是地球上的人造小太阳
能源是人类赖以生存的基本条件。据估计，到下世纪中叶前后，全世界能源消费的需求将超过传统能源的供给能力，必需开发新的能源以弥补其短缺。聚变能源是新能源的重要候选者之一。
氢的同位素氘和氚在高温下聚合成氦核并释放出中子的过程称为“聚变”。太阳的巨大能源即来源于聚变，而氢弹的爆炸则是地球上人为的聚变反应。如果能在人工可控条件下实现聚变反应，则可以提供几乎取之不尽的能源。和传统能源相比，聚变燃料具有最高的比能。
然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。首先要有1亿度左右的高温；其次，参与反应的粒子密度要足够高并能维持一定的反应时间，即‘nτ’值要达到1014 （秒/厘米3）以上，这就是著名的劳逊判据。
为了实现上述条件，目前有两条技术途径：磁约束聚变（MCF）和惯性约束聚变（ICF）。惯性约束聚变的基本思想是：利用激光或离子束作为驱动源，脉冲式地提供高强度能量，均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸，利用反冲压力，使靶的外壳持续向心运动，压缩氘氚燃料到每立方厘米几百克质量的极高密度，并升温到热核点火温度；驱动脉冲宽度为纳秒级，在高温高密度热核燃料来不及飞散之前，即完成反应过程并释放出核能。实际上这和太阳的聚变过程相仿，只是约束高温等离子体的方式有所不同。六十年代初，我国激光聚变研究刚刚起步的时候，钱学森院士就形像地指出：你们的事业是在地球上人造一个小太阳！二. 惯性约束聚变的科学可行性研究走向聚变能源要历经三个里程碑阶段：* 得失相当（breakeven）：聚变释放的能量等于触发聚变反应所输入的能量；* 点火（ignition）：聚变能产生的速率足够快使等离子体维持在所要求的温度而不需要附加加热；* 商用（commercial viability）: 在工程设施上聚变过程产生纯能量输出；同时经济效益可以和其它能源相竞争。惯性约束聚变研究始于六十年代激光出现后不久，至今已有三十多年，取得显著成效。证实了原理可行性，探索出可行的科学技术途径，实验室条件下的聚变“点火”指日可待。
1. 惯性约束聚变的物理过程和驱动方式惯性约束聚变的物理过程
（1）加热 （2）压缩 （3）点火 （4）燃烧(1)加热: 激光（或离子束，X光辐射）照射靶丸，快速加热表面(2)压缩: 靶丸表面物质向外喷射，形成的反冲压力将靶丸向心压缩(3)点火: 靶心燃料被压缩到20倍铅密度，并在108度高温下点火(4)燃烧: 发生热核爆炸并迅速扩展到整个燃料，从而释放核能，并
大于输入能量若干倍有两种方式驱动上述聚变反应：* 直接驱动激光束直接照射氘氚靶丸。这种方式有较高的效率，但是为了达到高倍的压缩，要求驱动光束在4?立体角方向极为均匀地照射靶面，均方差小于1-2%. 这是极其困难的。* 间接驱动
为了避开这一难点，提出了另一种称之为“间接驱动”的照射方式，如下图。
此时激光束照射包围靶丸的外壳内壁，产生X光辐射，X光经输运和均匀化后再加热氘氚靶丸。也可用离子束作驱动源，如下图，离子束先轰击围绕靶丸的物质，转换为X射线，然后由X光加热靶，从而实现间接驱动的聚变反应。* 快点火不论那种驱动方式，对驱动器的能量和质量要求均很苛刻。近年来，提出了一种新的点火手段，这就是在进入聚变第三阶段时，外加一束高强度超短脉冲，注入到稠密等离子体燃料内，快速地点燃并扩展到整个体积。理论研究表明，把原先的中心点火方式改进为体点火，可以大幅度降低对驱动能量的要求，已成为国际研究的热点。
2. 惯性约束聚变研究进展
惯性约束聚变研究在世界范围内取得重要进展，美国里弗莫尔国家验室最为先进，从1975年至今，建造了六代激光驱动器，输出功率提高了近五个量级，取得一系列重要靶物理成果。其发展情况可归纳为下表，纵座标是达到的n?值。
究竟需要多少驱动能量才能达到点火和能量增益呢？八十年代末，美国实施“百人队长”计划，利用地下核爆辐射的X光作为驱动源，辐照氘氚靶丸，成功地实现了具有10-100倍能量增益的聚变反应。而且实验结果和LASNEX程序计算相符。从而证实了惯性约束聚变的科学可行性，也明确了需要有百万焦耳级的驱动能量才能满足要求。
这一结果公布后，很大地推动了国际ICF研究。1989年主要国家科学家聚会西班牙，发表了著名的“马德里宣言”，号召全世界科学家合作，向点火目标前进。1994年国际原子能署（IAEA）召开的惯性约束聚变驱动器国际会议上，美国能源部官员M.Sluyter在综述报告中, 形象地展示了美国的目标及各阶段计划的衔接关系, 如下图(图中,ETF是Engineer Test Facility):
国际上已投入运行的激光器和计划建造的巨型装置，归纳为下列两表。国际主要钕玻璃激光装置激光装置国 家 及 实 验 室输出能量束数建成时间GEKKO-XII日本大阪大学ILE15KJ/3ω121983PHEBUS法国里梅尔实验室10KJ/3ω2VULCAN英国卢瑟福实验室
2KJ/3ω8HELEN英国原子武器中心1KJ/1ω1NOVA美国里弗莫尔实验室40KJ/3ω101984OMEGA美国罗彻斯特大学LLE30KJ/3ω601995Beamlet美国里弗莫尔实验室6.4KJ/3ω11994计划建造的巨型钕玻璃激光装置 装置名称国家及实验室能量/波长束数预定进度NIF美国里弗莫尔1.8MJ/3ω1922002MLF法国核武器所1.8MJ/3ω2402005100-TW英国武器中心＞100KJ/3ω32金钢日本大阪大学＞100KJ/3ω尚未批准美国“国家点火装置”（NIF）的设计目标是实现点火并达到5倍能量增益。设计工作区在点火阈值的两倍处，留有余地，如图。
* NIF的主要技术指标输出能量: 1.8MJ, 500TW (3ω);功率平衡: <8% rms (2ns范围内);靶瞄准精度: <50μm;插头效率: 1% (电能到3ω光能)高能发射次数(年):产额为1KJ-100KJ 100次产额为100-500KJ 35次产额为5MJ-10 MJ 10次* 激光系统结构* 激光束由192子束组成, 每束口径40×40cm, 输出10KJ;* 192束分成四大路, 每大路由12×4列阵组成;* 激光装置大确厅面积200米×85米.* 靶场宽30米、高30米;* 激光束从上下方向射入真空靶室, 光学元件离开球壁4米;然而，包括NIF在内的所有装置都只能做到聚变能源的科学可行性验证，并不能成为聚变能电站。关键在于，驱动器只能单次发射（几小时一次），而且驱动器本身的能量转换效率不高，约为1%左右。三. 惯性约束聚变的工程可行性研究为实现惯性约束聚变商用能源的里程碑目标，需要满足下列四个条件：（1） 高增益靶-输出的聚变能量比输入的驱动能量大50-100倍；（2） 驱动器能以5-10Hz的重复率工作，插头效率达10-30%；（3） 靶的成本降低到25美分左右，且年生产率达到1亿个；（4） 装置具有长达30年的使用寿命。
为此开展了高效率、可重复率运转的驱动器研制和聚变能电站的总体概念设计。
用于聚变能电站的候选驱动器主要有：* 半导体激光泵浦的新型固体激光器* 氟化氪激光器* 重离子和轻离子加速器
下面我们以上列第一种类型的方案设计为例，说明有关的研究进展。
第一种激光器与现有装置不同在于：用半导体激光管代替氙灯，用作固体激光器的泵浦源；选取择与之匹配的激光工作介质：Yb:S-FAP晶体。以此为基础，里弗莫尔实验室科学家完成了全半导体激光泵浦固体驱动器(DPSSL)的聚变能电站设计。他们在技术上详细地分析和计算了DPSSL聚变电站的方案和造价, 编制了1400行的计算机程序，得到的结果是:发电功率 100万千瓦;电费成本 每度电费8.6美分;电站总造价 ＄4.6B (46亿美元).激光系统的3ω总能量 4MJ插头效率(从消耗电能到3ω激光能)η= 8.6%;靶增益 G=76，即ηG～7激光器及电站示意图如下。他们的结论是:“DPSSL is leading candidate for IFE”.四. 国ICF激光驱动器研究概况和展望
1964年,我国著名核物理学家王淦昌院士独立地提出激光聚变思想,并建议了具体方案. 按照这一创议,在我国第一个激光专业研究所-中国科学院上海光机所开始了高功率激光驱动器的研制和应用并于 1971年获得氘-氘碰撞中子. 1978年中国工程物理研究院和中国科学院携手合作, ICF研究进入了全面发展的新阶段。近廿年来, 致力于研制和应用钕玻璃激光驱动器 -“神光”系列装置, 取得了显著进展, 推动了我国ICF实验和理论研究, 并在国际上占有一席之地.
1.“神光-Ⅰ”装置建成于1986年。该装置输出两束口径为200mm的强光束，每束激光的峰功率达1012瓦，脉冲宽度有1ns和100ps两种，波长为1.053μm的红外光，可倍频到0.53μm绿光。“神光-I”装置建成后连续运行八年,在前沿物理实验研究中取得一批国际先进水平的成果，主要有：* 我国首次间接驱动内爆出中子实验成功* 极高压下材料状态方程的高精度测量 * 类氖锗X光激光达增益饱和并具有近衍射极限的光束质量* 复合泵浦X光激光研究获得一系列国际首次报道的新谱线, 并向短波长推进到4.68nm
2.“神光-Ⅱ”装置
和Ⅰ号装置相比，规模扩大4倍，可输出8束强光，立体地照射氘氚靶丸。红外波长的激光能量达6KJ/1ns，并可变换到0.35μ的紫外激光。脉冲宽度有1ns、100ps、20ps和1ps四个档次。
目前,该装置已进入总装调试阶段, 计划1998年投入试运行。它将是我国“九五”及“十五”期间ICF研究的主要驱动器。
3.“神光-Ⅲ”装置为了开展更深层次的ICF物理研究(包括点火预研究)，以满足廿一世纪发展需求，制定了研制“神光-Ⅲ”装置的规划，并已开始概念设计和可行性论证。规划中的“神光-Ⅲ”装置是一个巨型的激光系统，比当前世界最大的NOVA装置还要大一倍多。它具有60束强光束,紫外激光能量达60KJ,质量和精密性要达到廿一世纪的国际先进水平。
我国激光驱动器研究的现状和发展前景：* 现在到下世纪初，“神光Ⅱ”装置运行并精密化--8束，2.4KJ/3?* 2000年前后，研制“神光Ⅲ”装置的双路原型--2KJ/3?* 2004年前后，建立“神光Ⅲ”装置--60束、60KJ/3?* 2010年前后，研制“神光IV”装置--点火装置
神光Ⅲ装置是世纪之交我国历史上光学领域最宏伟的科学工程，必将全面带动相关科学技术攀登世界水平，是我国综合国力在科技领域的标志性体现，其作用和意义不亚于当年的“两弹”。这是挑战也是机遇，在走向聚变能源的道路上需要几代人的不懈努力。
不论是国外还是国内,巨型激光驱动器都是综合国力的反映,能够代表一个国家在这一领域的科技水平.它的研制对相关科学技术有重大的带动作用.下面,以“神光-Ⅲ”为例,作几点说明.
“神光-Ⅲ”装置是多种学科、多种技术的综合集成.下面列举所涉及的十个技术门类和相关内容:1. 激光器件和单元
激光振荡器;脉冲整形器;电光和磁光隔离器;空间滤波器;组合式多程放大器;频率变换器.2. 激光和光学技术
超短脉冲激光技术;光纤和集成光学技术;半导体二极管泵浦技术自适应光学技术;二元光学技术等.3．光学元件
高光学质量(Δn～10-6量级)、高破坏负载(15～18J/cm2)、大尺度(350×350mm或更大)的钕玻璃、光学玻璃、石英玻璃、非线性晶体等材料,以及若干特种功能材料.4. 光学薄膜
与光学材料匹配的大口径、高负载、多波长和多种功能的光学薄膜,如增透膜、高反膜、分光膜和偏振膜等.除采用真空镀膜工艺外,还将大力发展和应用Sol-gel 镀膜技术.5. 精密光学冷加工和检测
大口径、1/10波长平度、0.5纳米表面粗糙度的光学冷加工和相应的检测手段;以及对大口径晶体材料(如KDP)的金刚石车床切削加工.建立和完善相应的检测手段,如移相式干涉仪、哈特曼波面测量仪、计算全息波面实时测量仪、粗糙度测量仪等.6. 高精度诊断和测量(超快时间、大口径空间、宽光谱、高能量)
具有微米级空间分辨率的焦斑测量、具有皮秒级时间分辨率的脉冲测量、2%精度的紫外光能量测量、时间分辨的光谱测量、动态范围达4个量级以上的光强分布测量等.7. 电工技术
激光器的电源是一个庞大的电工系统.工作方式是单次储能和脉冲放电.储能能量(电能)约30MJ;以闪光灯(氙灯)为负载放电,脉冲宽度一般为0.5～1ms; 并行的放电路数约为2000路;多路放电的时间同步精度要求5～10μs;一般用电容器作为储能元件,充电电压重复精度要求0.05～0.1%.充电电压23KV,每路放电的峰值电流约10KA,为此,要有效地防止强电磁干扰.研制高比能电容器(1KJ/dm3)是提高性能、降低成本的重要途径.8. 精密机械和真空系统
在驱动器系统中,激光束要经过数百米的长光路和数百个元件,最后以极高精度聚焦到微型聚变靶丸上.瞄准精度为1.5″左右.因此对整个系统的机械结构都有严格的要求,尤其是集中在靶场系统上.初步估计,在靶场中约需250台口径为500mm的伺服反射镜,而且要以不同的角度分布安放在20米高的桁架上.反射镜和桁架结构的稳定性和调整精度都要满足秒级要求,难度是很大的.此外,ICF靶室还是一个大型的真空系统.最大容积约60立方米,真空度要求10-6乇(空腔时).将从传统的分子泵、离子泵发展到高抽速的低温冷凝吸附泵.不论何种类型的真空泵,都要求尽可能低的振动,以免影响光学对准的精度.9. 计算机和自动控制技术
光路自动准直和靶瞄准;多媒体运行指挥系统;仿真模拟技术;以图像为主的数据采集和处理;第三代计算机辅助设计10.实验室环境工程(地基、建筑、洁净、恒温、低湿度)
主实验室的使用面积约在1万平米以上,要求恒温到0.2～0.5℃;相对湿度小于50%(最好小于40%);洁净度分别为100级、1,000级和10,000级;地基必需隔振,振幅要小于几微米等等.
上述各项技术要求,大多数达到有关领域的“顶级”水平.同时,还要求能较大幅度地降低造价.因此,必需有显著的创新,才能同时做到高水平和低造价.无疑将大大推动技术进步,向国际先进水平迈进.
ICF事业的最终成功需要几代人的努力。在王淦昌、王大珩、于敏等老一辈科学家带领下，已奋斗了三十多年,取得瞩目成果。从历史的长剧来看，不过是一个序幕，序幕还不是高潮，高潮还在后头。二十一世纪的惯性约束聚变研究将是年青一代科技工作者大显身手的午台。
1997年7月
惯性约束聚变能源与激光驱动器
范滇元 贺贤土
摘 要
聚变能源是一种“干净的”几乎取之不尽的能源。研究进展表明，有希望在廿一世纪中叶实现商业发电。惯性约束聚变则是实现聚变能源的可能途径之一。八十年代末，美国用地下核爆的辐射能量成功地驱动惯性约束聚变，证实了这一技术路线在科学上的可行性。九十年代以来，许多国家制定庞大的发展计划，以“点火”为目标，建造百万焦耳级的巨型激光装置。同时，并行地开始了用于聚变能电站的驱动器研究。我国已有三十多年研究基础，现已制定跨世纪的“神光-Ⅲ”计划，将在下世纪初建成十万焦耳级的激光装置，开展相关基础物理研究。
正文 一. 聚变能源是地球上的人造小太阳
能源是人类赖以生存的基本条件。据估计，到下世纪中叶前后，全世界能源消费的需求将超过传统能源的供给能力，必需开发新的能源以弥补其短缺。聚变能源是新能源的重要候选者之一。
氢的同位素氘和氚在高温下聚合成氦核并释放出中子的过程称为“聚变”。太阳的巨大能源即来源于聚变，而氢弹的爆炸则是地球上人为的聚变反应。如果能在人工可控条件下实现聚变反应，则可以提供几乎取之不尽的能源。和传统能源相比，聚变燃料具有最高的比能。
然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。首先要有1亿度左右的高温；其次，参与反应的粒子密度要足够高并能维持一定的反应时间，即‘nτ’值要达到1014 （秒/厘米3）以上，这就是著名的劳逊判据。
为了实现上述条件，目前有两条技术途径：磁约束聚变（MCF）和惯性约束聚变（ICF）。惯性约束聚变的基本思想是：利用激光或离子束作为驱动源，脉冲式地提供高强度能量，均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸，利用反冲压力，使靶的外壳持续向心运动，压缩氘氚燃料到每立方厘米几百克质量的极高密度，并升温到热核点火温度；驱动脉冲宽度为纳秒级，在高温高密度热核燃料来不及飞散之前，即完成反应过程并释放出核能。实际上这和太阳的聚变过程相仿，只是约束高温等离子体的方式有所不同。六十年代初，我国激光聚变研究刚刚起步的时候，钱学森院士就形像地指出：你们的事业是在地球上人造一个小太阳！二. 惯性约束聚变的科学可行性研究走向聚变能源要历经三个里程碑阶段：* 得失相当（breakeven）：聚变释放的能量等于触发聚变反应所输入的能量；* 点火（ignition）：聚变能产生的速率足够快使等离子体维持在所要求的温度而不需要附加加热；* 商用（commercial viability）: 在工程设施上聚变过程产生纯能量输出；同时经济效益可以和其它能源相竞争。惯性约束聚变研究始于六十年代激光出现后不久，至今已有三十多年，取得显著成效。证实了原理可行性，探索出可行的科学技术途径，实验室条件下的聚变“点火”指日可待。
1. 惯性约束聚变的物理过程和驱动方式惯性约束聚变的物理过程
（1）加热 （2）压缩 （3）点火 （4）燃烧(1)加热: 激光（或离子束，X光辐射）照射靶丸，快速加热表面(2)压缩: 靶丸表面物质向外喷射，形成的反冲压力将靶丸向心压缩(3)点火: 靶心燃料被压缩到20倍铅密度，并在108度高温下点火(4)燃烧: 发生热核爆炸并迅速扩展到整个燃料，从而释放核能，并
大于输入能量若干倍有两种方式驱动上述聚变反应：* 直接驱动激光束直接照射氘氚靶丸。这种方式有较高的效率，但是为了达到高倍的压缩，要求驱动光束在4?立体角方向极为均匀地照射靶面，均方差小于1-2%. 这是极其困难的。* 间接驱动
为了避开这一难点，提出了另一种称之为“间接驱动”的照射方式，如下图。
此时激光束照射包围靶丸的外壳内壁，产生X光辐射，X光经输运和均匀化后再加热氘氚靶丸。也可用离子束作驱动源，如下图，离子束先轰击围绕靶丸的物质，转换为X射线，然后由X光加热靶，从而实现间接驱动的聚变反应。* 快点火不论那种驱动方式，对驱动器的能量和质量要求均很苛刻。近年来，提出了一种新的点火手段，这就是在进入聚变第三阶段时，外加一束高强度超短脉冲，注入到稠密等离子体燃料内，快速地点燃并扩展到整个体积。理论研究表明，把原先的中心点火方式改进为体点火，可以大幅度降低对驱动能量的要求，已成为国际研究的热点。
2. 惯性约束聚变研究进展
惯性约束聚变研究在世界范围内取得重要进展，美国里弗莫尔国家验室最为先进，从1975年至今，建造了六代激光驱动器，输出功率提高了近五个量级，取得一系列重要靶物理成果。其发展情况可归纳为下表，纵座标是达到的n?值。
究竟需要多少驱动能量才能达到点火和能量增益呢？八十年代末，美国实施“百人队长”计划，利用地下核爆辐射的X光作为驱动源，辐照氘氚靶丸，成功地实现了具有10-100倍能量增益的聚变反应。而且实验结果和LASNEX程序计算相符。从而证实了惯性约束聚变的科学可行性，也明确了需要有百万焦耳级的驱动能量才能满足要求。
这一结果公布后，很大地推动了国际ICF研究。1989年主要国家科学家聚会西班牙，发表了著名的“马德里宣言”，号召全世界科学家合作，向点火目标前进。1994年国际原子能署（IAEA）召开的惯性约束聚变驱动器国际会议上，美国能源部官员M.Sluyter在综述报告中, 形象地展示了美国的目标及各阶段计划的衔接关系, 如下图(图中,ETF是Engineer Test Facility):
国际上已投入运行的激光器和计划建造的巨型装置，归纳为下列两表。国际主要钕玻璃激光装置激光装置国 家 及 实 验 室输出能量束数建成时间GEKKO-XII日本大阪大学ILE15KJ/3ω121983PHEBUS法国里梅尔实验室10KJ/3ω2VULCAN英国卢瑟福实验室
2KJ/3ω8HELEN英国原子武器中心1KJ/1ω1NOVA美国里弗莫尔实验室40KJ/3ω101984OMEGA美国罗彻斯特大学LLE30KJ/3ω601995Beamlet美国里弗莫尔实验室6.4KJ/3ω11994计划建造的巨型钕玻璃激光装置 装置名称国家及实验室能量/波长束数预定进度NIF美国里弗莫尔1.8MJ/3ω1922002MLF法国核武器所1.8MJ/3ω2402005100-TW英国武器中心＞100KJ/3ω32金钢日本大阪大学＞100KJ/3ω尚未批准美国“国家点火装置”（NIF）的设计目标是实现点火并达到5倍能量增益。设计工作区在点火阈值的两倍处，留有余地，如图。
* NIF的主要技术指标输出能量: 1.8MJ, 500TW (3ω);功率平衡: <8% rms (2ns范围内);靶瞄准精度: <50μm;插头效率: 1% (电能到3ω光能)高能发射次数(年):产额为1KJ-100KJ 100次产额为100-500KJ 35次产额为5MJ-10 MJ 10次* 激光系统结构* 激光束由192子束组成, 每束口径40×40cm, 输出10KJ;* 192束分成四大路, 每大路由12×4列阵组成;* 激光装置大确厅面积200米×85米.* 靶场宽30米、高30米;* 激光束从上下方向射入真空靶室, 光学元件离开球壁4米;然而，包括NIF在内的所有装置都只能做到聚变能源的科学可行性验证，并不能成为聚变能电站。关键在于，驱动器只能单次发射（几小时一次），而且驱动器本身的能量转换效率不高，约为1%左右。三. 惯性约束聚变的工程可行性研究为实现惯性约束聚变商用能源的里程碑目标，需要满足下列四个条件：（1） 高增益靶-输出的聚变能量比输入的驱动能量大50-100倍；（2） 驱动器能以5-10Hz的重复率工作，插头效率达10-30%；（3） 靶的成本降低到25美分左右，且年生产率达到1亿个；（4） 装置具有长达30年的使用寿命。
为此开展了高效率、可重复率运转的驱动器研制和聚变能电站的总体概念设计。
用于聚变能电站的候选驱动器主要有：* 半导体激光泵浦的新型固体激光器* 氟化氪激光器* 重离子和轻离子加速器
下面我们以上列第一种类型的方案设计为例，说明有关的研究进展。
第一种激光器与现有装置不同在于：用半导体激光管代替氙灯，用作固体激光器的泵浦源；选取择与之匹配的激光工作介质：Yb:S-FAP晶体。以此为基础，里弗莫尔实验室科学家完成了全半导体激光泵浦固体驱动器(DPSSL)的聚变能电站设计。他们在技术上详细地分析和计算了DPSSL聚变电站的方案和造价, 编制了1400行的计算机程序，得到的结果是:发电功率 100万千瓦;电费成本 每度电费8.6美分;电站总造价 ＄4.6B (46亿美元).激光系统的3ω总能量 4MJ插头效率(从消耗电能到3ω激光能)η= 8.6%;靶增益 G=76，即ηG～7激光器及电站示意图如下。他们的结论是:“DPSSL is leading candidate for IFE”.四. 国ICF激光驱动器研究概况和展望
1964年,我国著名核物理学家王淦昌院士独立地提出激光聚变思想,并建议了具体方案. 按照这一创议,在我国第一个激光专业研究所-中国科学院上海光机所开始了高功率激光驱动器的研制和应用并于 1971年获得氘-氘碰撞中子. 1978年中国工程物理研究院和中国科学院携手合作, ICF研究进入了全面发展的新阶段。近廿年来, 致力于研制和应用钕玻璃激光驱动器 -“神光”系列装置, 取得了显著进展, 推动了我国ICF实验和理论研究, 并在国际上占有一席之地.
1.“神光-Ⅰ”装置建成于1986年。该装置输出两束口径为200mm的强光束，每束激光的峰功率达1012瓦，脉冲宽度有1ns和100ps两种，波长为1.053μm的红外光，可倍频到0.53μm绿光。“神光-I”装置建成后连续运行八年,在前沿物理实验研究中取得一批国际先进水平的成果，主要有：* 我国首次间接驱动内爆出中子实验成功* 极高压下材料状态方程的高精度测量 * 类氖锗X光激光达增益饱和并具有近衍射极限的光束质量* 复合泵浦X光激光研究获得一系列国际首次报道的新谱线, 并向短波长推进到4.68nm
2.“神光-Ⅱ”装置
和Ⅰ号装置相比，规模扩大4倍，可输出8束强光，立体地照射氘氚靶丸。红外波长的激光能量达6KJ/1ns，并可变换到0.35μ的紫外激光。脉冲宽度有1ns、100ps、20ps和1ps四个档次。
目前,该装置已进入总装调试阶段, 计划1998年投入试运行。它将是我国“九五”及“十五”期间ICF研究的主要驱动器。
3.“神光-Ⅲ”装置为了开展更深层次的ICF物理研究(包括点火预研究)，以满足廿一世纪发展需求，制定了研制“神光-Ⅲ”装置的规划，并已开始概念设计和可行性论证。规划中的“神光-Ⅲ”装置是一个巨型的激光系统，比当前世界最大的NOVA装置还要大一倍多。它具有60束强光束,紫外激光能量达60KJ,质量和精密性要达到廿一世纪的国际先进水平。
我国激光驱动器研究的现状和发展前景：* 现在到下世纪初，“神光Ⅱ”装置运行并精密化--8束，2.4KJ/3?* 2000年前后，研制“神光Ⅲ”装置的双路原型--2KJ/3?* 2004年前后，建立“神光Ⅲ”装置--60束、60KJ/3?* 2010年前后，研制“神光IV”装置--点火装置
神光Ⅲ装置是世纪之交我国历史上光学领域最宏伟的科学工程，必将全面带动相关科学技术攀登世界水平，是我国综合国力在科技领域的标志性体现，其作用和意义不亚于当年的“两弹”。这是挑战也是机遇，在走向聚变能源的道路上需要几代人的不懈努力。
不论是国外还是国内,巨型激光驱动器都是综合国力的反映,能够代表一个国家在这一领域的科技水平.它的研制对相关科学技术有重大的带动作用.下面,以“神光-Ⅲ”为例,作几点说明.
“神光-Ⅲ”装置是多种学科、多种技术的综合集成.下面列举所涉及的十个技术门类和相关内容:1. 激光器件和单元
激光振荡器;脉冲整形器;电光和磁光隔离器;空间滤波器;组合式多程放大器;频率变换器.2. 激光和光学技术
超短脉冲激光技术;光纤和集成光学技术;半导体二极管泵浦技术自适应光学技术;二元光学技术等.3．光学元件
高光学质量(Δn～10-6量级)、高破坏负载(15～18J/cm2)、大尺度(350×350mm或更大)的钕玻璃、光学玻璃、石英玻璃、非线性晶体等材料,以及若干特种功能材料.4. 光学薄膜
与光学材料匹配的大口径、高负载、多波长和多种功能的光学薄膜,如增透膜、高反膜、分光膜和偏振膜等.除采用真空镀膜工艺外,还将大力发展和应用Sol-gel 镀膜技术.5. 精密光学冷加工和检测
大口径、1/10波长平度、0.5纳米表面粗糙度的光学冷加工和相应的检测手段;以及对大口径晶体材料(如KDP)的金刚石车床切削加工.建立和完善相应的检测手段,如移相式干涉仪、哈特曼波面测量仪、计算全息波面实时测量仪、粗糙度测量仪等.6. 高精度诊断和测量(超快时间、大口径空间、宽光谱、高能量)
具有微米级空间分辨率的焦斑测量、具有皮秒级时间分辨率的脉冲测量、2%精度的紫外光能量测量、时间分辨的光谱测量、动态范围达4个量级以上的光强分布测量等.7. 电工技术
激光器的电源是一个庞大的电工系统.工作方式是单次储能和脉冲放电.储能能量(电能)约30MJ;以闪光灯(氙灯)为负载放电,脉冲宽度一般为0.5～1ms; 并行的放电路数约为2000路;多路放电的时间同步精度要求5～10μs;一般用电容器作为储能元件,充电电压重复精度要求0.05～0.1%.充电电压23KV,每路放电的峰值电流约10KA,为此,要有效地防止强电磁干扰.研制高比能电容器(1KJ/dm3)是提高性能、降低成本的重要途径.8. 精密机械和真空系统
在驱动器系统中,激光束要经过数百米的长光路和数百个元件,最后以极高精度聚焦到微型聚变靶丸上.瞄准精度为1.5″左右.因此对整个系统的机械结构都有严格的要求,尤其是集中在靶场系统上.初步估计,在靶场中约需250台口径为500mm的伺服反射镜,而且要以不同的角度分布安放在20米高的桁架上.反射镜和桁架结构的稳定性和调整精度都要满足秒级要求,难度是很大的.此外,ICF靶室还是一个大型的真空系统.最大容积约60立方米,真空度要求10-6乇(空腔时).将从传统的分子泵、离子泵发展到高抽速的低温冷凝吸附泵.不论何种类型的真空泵,都要求尽可能低的振动,以免影响光学对准的精度.9. 计算机和自动控制技术
光路自动准直和靶瞄准;多媒体运行指挥系统;仿真模拟技术;以图像为主的数据采集和处理;第三代计算机辅助设计10.实验室环境工程(地基、建筑、洁净、恒温、低湿度)
主实验室的使用面积约在1万平米以上,要求恒温到0.2～0.5℃;相对湿度小于50%(最好小于40%);洁净度分别为100级、1,000级和10,000级;地基必需隔振,振幅要小于几微米等等.
上述各项技术要求,大多数达到有关领域的“顶级”水平.同时,还要求能较大幅度地降低造价.因此,必需有显著的创新,才能同时做到高水平和低造价.无疑将大大推动技术进步,向国际先进水平迈进.
ICF事业的最终成功需要几代人的努力。在王淦昌、王大珩、于敏等老一辈科学家带领下，已奋斗了三十多年,取得瞩目成果。从历史的长剧来看，不过是一个序幕，序幕还不是高潮，高潮还在后头。二十一世纪的惯性约束聚变研究将是年青一代科技工作者大显身手的午台。中国工程院第三次院士大会学术报告汇编
1997年7月
惯性约束聚变能源与激光驱动器
范滇元 贺贤土
摘 要
聚变能源是一种“干净的”几乎取之不尽的能源。研究进展表明，有希望在廿一世纪中叶实现商业发电。惯性约束聚变则是实现聚变能源的可能途径之一。八十年代末，美国用地下核爆的辐射能量成功地驱动惯性约束聚变，证实了这一技术路线在科学上的可行性。九十年代以来，许多国家制定庞大的发展计划，以“点火”为目标，建造百万焦耳级的巨型激光装置。同时，并行地开始了用于聚变能电站的驱动器研究。我国已有三十多年研究基础，现已制定跨世纪的“神光-Ⅲ”计划，将在下世纪初建成十万焦耳级的激光装置，开展相关基础物理研究。
正文 一. 聚变能源是地球上的人造小太阳
能源是人类赖以生存的基本条件。据估计，到下世纪中叶前后，全世界能源消费的需求将超过传统能源的供给能力，必需开发新的能源以弥补其短缺。聚变能源是新能源的重要候选者之一。
氢的同位素氘和氚在高温下聚合成氦核并释放出中子的过程称为“聚变”。太阳的巨大能源即来源于聚变，而氢弹的爆炸则是地球上人为的聚变反应。如果能在人工可控条件下实现聚变反应，则可以提供几乎取之不尽的能源。和传统能源相比，聚变燃料具有最高的比能。
然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。首先要有1亿度左右的高温；其次，参与反应的粒子密度要足够高并能维持一定的反应时间，即‘nτ’值要达到1014 （秒/厘米3）以上，这就是著名的劳逊判据。
为了实现上述条件，目前有两条技术途径：磁约束聚变（MCF）和惯性约束聚变（ICF）。惯性约束聚变的基本思想是：利用激光或离子束作为驱动源，脉冲式地提供高强度能量，均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸，利用反冲压力，使靶的外壳持续向心运动，压缩氘氚燃料到每立方厘米几百克质量的极高密度，并升温到热核点火温度；驱动脉冲宽度为纳秒级，在高温高密度热核燃料来不及飞散之前，即完成反应过程并释放出核能。实际上这和太阳的聚变过程相仿，只是约束高温等离子体的方式有所不同。六十年代初，我国激光聚变研究刚刚起步的时候，钱学森院士就形像地指出：你们的事业是在地球上人造一个小太阳！二. 惯性约束聚变的科学可行性研究走向聚变能源要历经三个里程碑阶段：* 得失相当（breakeven）：聚变释放的能量等于触发聚变反应所输入的能量；* 点火（ignition）：聚变能产生的速率足够快使等离子体维持在所要求的温度而不需要附加加热；* 商用（commercial viability）: 在工程设施上聚变过程产生纯能量输出；同时经济效益可以和其它能源相竞争。惯性约束聚变研究始于六十年代激光出现后不久，至今已有三十多年，取得显著成效。证实了原理可行性，探索出可行的科学技术途径，实验室条件下的聚变“点火”指日可待。
1. 惯性约束聚变的物理过程和驱动方式惯性约束聚变的物理过程
（1）加热 （2）压缩 （3）点火 （4）燃烧(1)加热: 激光（或离子束，X光辐射）照射靶丸，快速加热表面(2)压缩: 靶丸表面物质向外喷射，形成的反冲压力将靶丸向心压缩(3)点火: 靶心燃料被压缩到20倍铅密度，并在108度高温下点火(4)燃烧: 发生热核爆炸并迅速扩展到整个燃料，从而释放核能，并
大于输入能量若干倍有两种方式驱动上述聚变反应：* 直接驱动激光束直接照射氘氚靶丸。这种方式有较高的效率，但是为了达到高倍的压缩，要求驱动光束在4?立体角方向极为均匀地照射靶面，均方差小于1-2%. 这是极其困难的。* 间接驱动
为了避开这一难点，提出了另一种称之为“间接驱动”的照射方式，如下图。
此时激光束照射包围靶丸的外壳内壁，产生X光辐射，X光经输运和均匀化后再加热氘氚靶丸。也可用离子束作驱动源，如下图，离子束先轰击围绕靶丸的物质，转换为X射线，然后由X光加热靶，从而实现间接驱动的聚变反应。* 快点火不论那种驱动方式，对驱动器的能量和质量要求均很苛刻。近年来，提出了一种新的点火手段，这就是在进入聚变第三阶段时，外加一束高强度超短脉冲，注入到稠密等离子体燃料内，快速地点燃并扩展到整个体积。理论研究表明，把原先的中心点火方式改进为体点火，可以大幅度降低对驱动能量的要求，已成为国际研究的热点。
2. 惯性约束聚变研究进展
惯性约束聚变研究在世界范围内取得重要进展，美国里弗莫尔国家验室最为先进，从1975年至今，建造了六代激光驱动器，输出功率提高了近五个量级，取得一系列重要靶物理成果。其发展情况可归纳为下表，纵座标是达到的n?值。
究竟需要多少驱动能量才能达到点火和能量增益呢？八十年代末，美国实施“百人队长”计划，利用地下核爆辐射的X光作为驱动源，辐照氘氚靶丸，成功地实现了具有10-100倍能量增益的聚变反应。而且实验结果和LASNEX程序计算相符。从而证实了惯性约束聚变的科学可行性，也明确了需要有百万焦耳级的驱动能量才能满足要求。
这一结果公布后，很大地推动了国际ICF研究。1989年主要国家科学家聚会西班牙，发表了著名的“马德里宣言”，号召全世界科学家合作，向点火目标前进。1994年国际原子能署（IAEA）召开的惯性约束聚变驱动器国际会议上，美国能源部官员M.Sluyter在综述报告中, 形象地展示了美国的目标及各阶段计划的衔接关系, 如下图(图中,ETF是Engineer Test Facility):
国际上已投入运行的激光器和计划建造的巨型装置，归纳为下列两表。国际主要钕玻璃激光装置激光装置国 家 及 实 验 室输出能量束数建成时间GEKKO-XII日本大阪大学ILE15KJ/3ω121983PHEBUS法国里梅尔实验室10KJ/3ω2VULCAN英国卢瑟福实验室
2KJ/3ω8HELEN英国原子武器中心1KJ/1ω1NOVA美国里弗莫尔实验室40KJ/3ω101984OMEGA美国罗彻斯特大学LLE30KJ/3ω601995Beamlet美国里弗莫尔实验室6.4KJ/3ω11994计划建造的巨型钕玻璃激光装置 装置名称国家及实验室能量/波长束数预定进度NIF美国里弗莫尔1.8MJ/3ω1922002MLF法国核武器所1.8MJ/3ω2402005100-TW英国武器中心＞100KJ/3ω32金钢日本大阪大学＞100KJ/3ω尚未批准美国“国家点火装置”（NIF）的设计目标是实现点火并达到5倍能量增益。设计工作区在点火阈值的两倍处，留有余地，如图。
* NIF的主要技术指标输出能量: 1.8MJ, 500TW (3ω);功率平衡: <8% rms (2ns范围内);靶瞄准精度: <50μm;插头效率: 1% (电能到3ω光能)高能发射次数(年):产额为1KJ-100KJ 100次产额为100-500KJ 35次产额为5MJ-10 MJ 10次* 激光系统结构* 激光束由192子束组成, 每束口径40×40cm, 输出10KJ;* 192束分成四大路, 每大路由12×4列阵组成;* 激光装置大确厅面积200米×85米.* 靶场宽30米、高30米;* 激光束从上下方向射入真空靶室, 光学元件离开球壁4米;然而，包括NIF在内的所有装置都只能做到聚变能源的科学可行性验证，并不能成为聚变能电站。关键在于，驱动器只能单次发射（几小时一次），而且驱动器本身的能量转换效率不高，约为1%左右。三. 惯性约束聚变的工程可行性研究为实现惯性约束聚变商用能源的里程碑目标，需要满足下列四个条件：（1） 高增益靶-输出的聚变能量比输入的驱动能量大50-100倍；（2） 驱动器能以5-10Hz的重复率工作，插头效率达10-30%；（3） 靶的成本降低到25美分左右，且年生产率达到1亿个；（4） 装置具有长达30年的使用寿命。
为此开展了高效率、可重复率运转的驱动器研制和聚变能电站的总体概念设计。
用于聚变能电站的候选驱动器主要有：* 半导体激光泵浦的新型固体激光器* 氟化氪激光器* 重离子和轻离子加速器
下面我们以上列第一种类型的方案设计为例，说明有关的研究进展。
第一种激光器与现有装置不同在于：用半导体激光管代替氙灯，用作固体激光器的泵浦源；选取择与之匹配的激光工作介质：Yb:S-FAP晶体。以此为基础，里弗莫尔实验室科学家完成了全半导体激光泵浦固体驱动器(DPSSL)的聚变能电站设计。他们在技术上详细地分析和计算了DPSSL聚变电站的方案和造价, 编制了1400行的计算机程序，得到的结果是:发电功率 100万千瓦;电费成本 每度电费8.6美分;电站总造价 ＄4.6B (46亿美元).激光系统的3ω总能量 4MJ插头效率(从消耗电能到3ω激光能)η= 8.6%;靶增益 G=76，即ηG～7激光器及电站示意图如下。他们的结论是:“DPSSL is leading candidate for IFE”.四. 国ICF激光驱动器研究概况和展望
1964年,我国著名核物理学家王淦昌院士独立地提出激光聚变思想,并建议了具体方案. 按照这一创议,在我国第一个激光专业研究所-中国科学院上海光机所开始了高功率激光驱动器的研制和应用并于 1971年获得氘-氘碰撞中子. 1978年中国工程物理研究院和中国科学院携手合作, ICF研究进入了全面发展的新阶段。近廿年来, 致力于研制和应用钕玻璃激光驱动器 -“神光”系列装置, 取得了显著进展, 推动了我国ICF实验和理论研究, 并在国际上占有一席之地.
1.“神光-Ⅰ”装置建成于1986年。该装置输出两束口径为200mm的强光束，每束激光的峰功率达1012瓦，脉冲宽度有1ns和100ps两种，波长为1.053μm的红外光，可倍频到0.53μm绿光。“神光-I”装置建成后连续运行八年,在前沿物理实验研究中取得一批国际先进水平的成果，主要有：* 我国首次间接驱动内爆出中子实验成功* 极高压下材料状态方程的高精度测量 * 类氖锗X光激光达增益饱和并具有近衍射极限的光束质量* 复合泵浦X光激光研究获得一系列国际首次报道的新谱线, 并向短波长推进到4.68nm
2.“神光-Ⅱ”装置
和Ⅰ号装置相比，规模扩大4倍，可输出8束强光，立体地照射氘氚靶丸。红外波长的激光能量达6KJ/1ns，并可变换到0.35μ的紫外激光。脉冲宽度有1ns、100ps、20ps和1ps四个档次。
目前,该装置已进入总装调试阶段, 计划1998年投入试运行。它将是我国“九五”及“十五”期间ICF研究的主要驱动器。
3.“神光-Ⅲ”装置为了开展更深层次的ICF物理研究(包括点火预研究)，以满足廿一世纪发展需求，制定了研制“神光-Ⅲ”装置的规划，并已开始概念设计和可行性论证。规划中的“神光-Ⅲ”装置是一个巨型的激光系统，比当前世界最大的NOVA装置还要大一倍多。它具有60束强光束,紫外激光能量达60KJ,质量和精密性要达到廿一世纪的国际先进水平。
我国激光驱动器研究的现状和发展前景：* 现在到下世纪初，“神光Ⅱ”装置运行并精密化--8束，2.4KJ/3?* 2000年前后，研制“神光Ⅲ”装置的双路原型--2KJ/3?* 2004年前后，建立“神光Ⅲ”装置--60束、60KJ/3?* 2010年前后，研制“神光IV”装置--点火装置
神光Ⅲ装置是世纪之交我国历史上光学领域最宏伟的科学工程，必将全面带动相关科学技术攀登世界水平，是我国综合国力在科技领域的标志性体现，其作用和意义不亚于当年的“两弹”。这是挑战也是机遇，在走向聚变能源的道路上需要几代人的不懈努力。
不论是国外还是国内,巨型激光驱动器都是综合国力的反映,能够代表一个国家在这一领域的科技水平.它的研制对相关科学技术有重大的带动作用.下面,以“神光-Ⅲ”为例,作几点说明.
“神光-Ⅲ”装置是多种学科、多种技术的综合集成.下面列举所涉及的十个技术门类和相关内容:1. 激光器件和单元
激光振荡器;脉冲整形器;电光和磁光隔离器;空间滤波器;组合式多程放大器;频率变换器.2. 激光和光学技术
超短脉冲激光技术;光纤和集成光学技术;半导体二极管泵浦技术自适应光学技术;二元光学技术等.3．光学元件
高光学质量(Δn～10-6量级)、高破坏负载(15～18J/cm2)、大尺度(350×350mm或更大)的钕玻璃、光学玻璃、石英玻璃、非线性晶体等材料,以及若干特种功能材料.4. 光学薄膜
与光学材料匹配的大口径、高负载、多波长和多种功能的光学薄膜,如增透膜、高反膜、分光膜和偏振膜等.除采用真空镀膜工艺外,还将大力发展和应用Sol-gel 镀膜技术.5. 精密光学冷加工和检测
大口径、1/10波长平度、0.5纳米表面粗糙度的光学冷加工和相应的检测手段;以及对大口径晶体材料(如KDP)的金刚石车床切削加工.建立和完善相应的检测手段,如移相式干涉仪、哈特曼波面测量仪、计算全息波面实时测量仪、粗糙度测量仪等.6. 高精度诊断和测量(超快时间、大口径空间、宽光谱、高能量)
具有微米级空间分辨率的焦斑测量、具有皮秒级时间分辨率的脉冲测量、2%精度的紫外光能量测量、时间分辨的光谱测量、动态范围达4个量级以上的光强分布测量等.7. 电工技术
激光器的电源是一个庞大的电工系统.工作方式是单次储能和脉冲放电.储能能量(电能)约30MJ;以闪光灯(氙灯)为负载放电,脉冲宽度一般为0.5～1ms; 并行的放电路数约为2000路;多路放电的时间同步精度要求5～10μs;一般用电容器作为储能元件,充电电压重复精度要求0.05～0.1%.充电电压23KV,每路放电的峰值电流约10KA,为此,要有效地防止强电磁干扰.研制高比能电容器(1KJ/dm3)是提高性能、降低成本的重要途径.8. 精密机械和真空系统
在驱动器系统中,激光束要经过数百米的长光路和数百个元件,最后以极高精度聚焦到微型聚变靶丸上.瞄准精度为1.5″左右.因此对整个系统的机械结构都有严格的要求,尤其是集中在靶场系统上.初步估计,在靶场中约需250台口径为500mm的伺服反射镜,而且要以不同的角度分布安放在20米高的桁架上.反射镜和桁架结构的稳定性和调整精度都要满足秒级要求,难度是很大的.此外,ICF靶室还是一个大型的真空系统.最大容积约60立方米,真空度要求10-6乇(空腔时).将从传统的分子泵、离子泵发展到高抽速的低温冷凝吸附泵.不论何种类型的真空泵,都要求尽可能低的振动,以免影响光学对准的精度.9. 计算机和自动控制技术
光路自动准直和靶瞄准;多媒体运行指挥系统;仿真模拟技术;以图像为主的数据采集和处理;第三代计算机辅助设计10.实验室环境工程(地基、建筑、洁净、恒温、低湿度)
主实验室的使用面积约在1万平米以上,要求恒温到0.2～0.5℃;相对湿度小于50%(最好小于40%);洁净度分别为100级、1,000级和10,000级;地基必需隔振,振幅要小于几微米等等.
上述各项技术要求,大多数达到有关领域的“顶级”水平.同时,还要求能较大幅度地降低造价.因此,必需有显著的创新,才能同时做到高水平和低造价.无疑将大大推动技术进步,向国际先进水平迈进.
ICF事业的最终成功需要几代人的努力。在王淦昌、王大珩、于敏等老一辈科学家带领下，已奋斗了三十多年,取得瞩目成果。从历史的长剧来看，不过是一个序幕，序幕还不是高潮，高潮还在后头。二十一世纪的惯性约束聚变研究将是年青一代科技工作者大显身手的午台。