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国家点火装置(NIF)惯性约束聚变的进展
摘 要
加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的192束国家点火装置(NIF)现已投入运行并正在进行实验。NIF是美国惯性约束聚变(ICF)计划的前沿设施，它将实现实验室前所未有的高能量密度条件——温度超过1亿K，密度为1000 g/cm3，压力超过1000亿个大气压。这种情况只在恒星内部和热核燃烧时自然存在。在实验室演示点火和热核燃烧是NIF的一个主要目标。迄今为止，NIF激光器已经展示了满足点火挑战所需的所有脉冲形状、光束质量、能量和其他特性。2009年3月10日，NIF激光器向靶室中心发射了1.1兆焦耳的紫外激光能量，大约是以前任何设施能量的30倍。NIF的点火计划是国家点火运动，这是一个由通用原子公司、LLNL公司、洛斯阿拉莫斯国家实验室、桑迪亚国家实验室和罗彻斯特大学激光能量学实验室(LLE)参与的全国点火实验合作项目。NIF点火的成就将证明惯性约束聚变的科学可行性，并使全世界关注聚变作为一种可行的能源选择。正在研究的一个特殊的能量概念是LIFE(激光惯性聚变能量)方案。LIFE发动机本质上是安全的，最大限度地减少了与核燃料循环相关的扩散问题，并能在21世纪提供可持续的无碳能源发电解决方案。本次演讲将描述NIF及其作为高能量密度科学的用户设施和实验平台的潜力，以及清洁、可持续能源的生命方法。
关键词 国家点火装置；惯性核聚变；惯性约束核聚变；高能密度科学
1.国家点火装置
国家点火装置(NIF)是美国能源部研究惯性约束聚变(ICF)和高能密度(HED)科学的中心。NIF是美国能源部有史以来成功完成的最大的科学项目。NIF将被用来进行必要的科学实验，以确保安全、可靠的战略储备，而无需进行地下测试，促进基础HED科学，并在追求清洁聚变能源方面发挥关键作用。192梁足球场大小的NIF[1]现在正在劳伦斯利弗莫尔国家实验室运行。2009年3月10日，在351纳米的三次谐波(3m)波长下，总共192束能量为1.1兆焦，比以前任何一种惯性约束聚变激光系统产生的能量多30倍。在接下来的一年里，NIF的能源将增长一倍，达到1.8兆焦耳。目前，NIF正在进行试验，以调试激光驱动器、hohlraum和聚变舱并开发在2010财年开始点火试验所需的基础设施。
NIF的192束光束射向一个直径10米、高真空的靶室，靶室中有一个1厘米长的圆柱形空腔靶。NIF靶室包含所有激光束的入口和100多个诊断仪器和靶插入口。复杂的诊断仪器，如x光和中子光谱仪、显微镜和条纹相机可以安装在赤道周围和靶室的两极。激光与谐振腔的相互作用将产生一个温度约为300电子伏的辐射场。由此产生的高温环境将为探索广泛的HED科学实验科学实验提供必要的环境，包括实验室规模的热核点火和燃烧。
NIF是有史以来建造的最复杂的光学仪器，有超过38000个大大小小的光学元件和60000个点，由200万行软件控制。NIF3m公司的能量规格为1.8兆焦耳，与以前的激光系统相比，其工作效率需要提高一个数量级。开发能够承受NIF环境的高质量光学器件一直是LLNL的主要研发重点。已经开发了一种系统化和稳健的光学改进和光学维护方法，以支持点火的苛刻要求。
2.国家点火运动
2.1概观
网络接口卡有两个主要目标。首先是从2010财年开始进行分层目标点火实验。第二个是演示点火，并在2012年[2]结束前完成网卡时提供可靠且可重复的点火平台。国家信息中心还将发展基础设施和程序，以使NIF成为一个国家用户设施。NIC的范围包括点火物理计划，以及诊断、目标、目标低温系统、相位板和其他光学器件的开发，以及执行点火实验所需的人员和环境保护活动。
NIF点火实验将使用一个厘米级的加热室，里面装有毫米级薄壁塑料、纳米晶金刚石或铍胶囊，里面装有氘和氚的混合物。点火腔内280电子伏辐射场对太空舱的压缩将直接燃料推进到点火和燃烧的状态，释放出的能量超过了引发聚变反应所需的能量[3]。这些条件从来不是在实验室里创造的。
2009年夏天，开始了旨在理解NIF点火实验和胶囊调谐实验的能量学的初步实验。能够在10-20兆焦耳范围内产生的低温点火目标将在2010-2012年末进行测试。
NIC点火活动使用“间接驱动”配置，即激光束被引导到涂有金或其他高Z材料的圆柱体端部，该圆柱体垂直安装在靶室内。对气缸的激光照射在气缸内部产生一个辐射场，该辐射场使DT燃料帽(苏乐)内爆。如图1所示，激光束被部署在多个锥体中，以便控制辐射驱动的时间相关对称性大于99%。NIF内爆的高度对称性，加上精确定制的靶设计和相应的激光脉冲形状，导致燃料alpha;加热和胶囊点火所需的高峰值燃料pR。
图1 NIF点火目标示意图
初始点火实验将于2010年末开始，192束紫外激光能量约为1.2兆焦耳。这一能量水平与激光调试计划相一致，该计划在2011年逐渐增加到计划的192束运行能量。要使用的目标设计如图1所示。目前正在考虑两种胶囊烧蚀材料(掺杂铜的铍和掺杂锗的甲烷)。两个胶囊都通过一个直径为10毫米的二氧化硅填充管填充了足够的DT气体，以在18.3开氏度下在内壁上产生0.3毫克/立方厘米密度的固体DT层。铜和锗掺杂剂的密度通常以小于1%的浓度存在，通过烧蚀器来改变。保持这两种设计选项可降低风险，并允许选择一种最佳配置为可用的精确激光和靶制造能力的靶。
2.2点火靶的发展和制造
自1997年NIF建设开始以来，点火靶的开发和制造取得了长足的进步；事实上，点火靶的开发和制造本身就是一个研发项目。NIC分配目标必须满足苛刻的规范。部件必须加工到1米以内的精度，接头小到100纳米。目标组件的误差范围小于8微米。典型地，胶囊外表面必须光滑到1纳米以内，并且掺杂层的厚度和相应的不透明度也必须小心控制。
点火靶制造的一个长期挑战是冻结的DT燃料层。该层必须形成在大约18.5 K，比DT混合物的三相点低1.5 K。层温度必须不超过1 mK，内层表面的粗糙度必须保持在1- m均方根粗糙度或更好，通过辅助加热[4]在层表面保持球形等温线。这些挑战已经解决，现在正在生产满足所有规格的点火目标。图2显示了一个实际的点火靶组件，该组件具有用于将靶保持在所需规格的热机械组件。目标通过连接在NIF目标位置的低温恒温器固定在NIF目标室的中心。该系统还包括一个表征站，该表征站能够在几分钟内对DT层进行三维成像。
图2 NIF聚变靶热机械组件
2.3 网卡
网卡诊断套件也是2009年和2010年网卡工作的一个主要重点。到2010年结束时，预计将在安装大约35台测量x光、中子、带电粒子、光学和其他辐射的诊断设备。诊断的例子包括用于高能物理实验的全孔径反向散射测量能力、用于冲击计时的速度干涉仪、用于测量辐射驱动的绝对校准的软X射线光谱仪、用于测量点火靶燃烧历史的gamma;射线探测器以及用于中子光谱学的磁反冲光谱仪。诊断学的发展是一项全国性和国际性的努力。
2.4. 网络信息中心实验计划
网络接口卡实验计划包括四个阶段。初始阶段将在2010财年后期以第一次分层冷冻目标实验告终。随后的三个阶段将重新确定目标和激光 参数，并研究点火系统的物理特性，目标是在2012财年结束时通过NIC的结论提供一个可靠且可重复的点火平台。
基于多年的实验和模拟，我们相信NIC实验活动需要精确调整14个激光和3个目标参数来实现点火条件。这些参数的调整对应于定制胶囊绝 热、速度、对称性和流体动力学不稳定性的程度。这17个参数分四步调整。在第一步，即“驱动”步骤中，将空腔室调谐为在胶囊上产生作为时间函数的必要辐射驱动。在第二个“调整”步骤中，使用各种非低温和低温氘填充胶囊来调整腔室对称性和冲击正时，以便产生点火所需的压缩燃料中心“热点”。第三步是用氚、氢和氘的混合物进行分层低温内爆。这些THD目标的降低的产量允许使用完整的诊断套件，并且需要验证所 需温度和燃料区域密度的存在。最后一步是DT点火内爆，预期增益为10-20。初始点火试验将使用Elaser 1.2 MJ进行。1.8兆焦耳的激光能量应可用于随后的实验。
为了准备执行点火实验系列，国家情报中心小组开展了一项“模拟活动”，以锻炼实验小组，并培养国家情报中心科学家快速调整点火目标至所需条件的能力。在几个月的时间里，模拟活动通过成功调整激光和目标参数来补偿由红队指定的失谐，并从几天减少到几个小时来检查数据集和实验性地调整激光和目标所需的时间，从而演示了合成点火。
第一次低温真空实验2009年9月初，NIF进行了第一次低温真空实验。在第一次发射中，NIF发射了192束能量为508千焦3米的光束，射入一个低温谐振腔，引爆了一个充氦的塑料胶囊，标志着谐振腔能量学和调谐凸轮的开始。氦/氢填充的腔室被冷却至约19 K。所有目标诊断采集数据，使用门控微通道板检测器记录胶囊内爆。
第二次192束低温腔射是在494千焦3米。再次，记录所有目标诊断获得的数据和帽苏乐内爆(见图3)。进入腔室两端的两个同心激光束“锥体”在波长上可能有微小的差异。在这次拍摄中，调整了外锥束的波长，以显著改善内爆胶囊在峰值压缩时的对称性。在为对称性测试和中子诊断试运行进行低水平氘射的控制到位后，第三个低温电离室发射了192束486千焦3米的光束进入一个20开尔文的电离室，并带有一个10%氘填充的胶囊，产生了NIF第一批中子。LLE建造的第一台中子飞行时间诊断系统成功诊断了中子产额。这张照片还通过进一步减小外锥波长成功地调整了内爆胶囊的对 称性，证明了锥间能量传递机制的有效性。
在第四次低温腔室发射中，NIF将192束568千焦3米的光束发射到一个20开尔文的腔室中，并带有另一个10%氘填充的胶囊。这个镜头在光锥之间保持相同的频率间隔，同时增加20%的激光能量和功率来测试更高的驱动。这种内爆改善了对称性，增加了D-D中子产额，这是首次使用铟活化诊断进行测量。
图3 在494千焦3米的192束低温电离室发射过程中记录到的胶囊内爆。
3.NIF多任务实验计划
虽然点火实验将是2012财年的主要焦点，但NIF将执行其他实验来支持其主要任务。NIF将为国内和国际研究人员提供探索基础天体物理学、行星物理学、流体力学、非线性光学物理学和材料科学的无与伦比的机会。计划在NIF进行的实验包括行星内部物理研究、通过第二类超新星爆炸形成Z gt; 26的元素、激发态核反应以及超强激光与物质的相互作用。NIF最终将成为HED基础科学的主要国际中心。
4.点火和惯性聚变能
点火的实现将促使人们更加详细地考虑内燃机作为清洁、可持续能源的一种选择。在NIF点火的成就将证明惯性约束聚变的科学可行性，并将可能把世界的注意力集中在惯性约束聚变能源选择的可能性上。高重复率、高效率、固态激光器的新能力表明，在未来十年内，1000兆瓦的惯性聚变能(IFE)发电厂是可能实现的。
能源生产的纯聚变和聚变-裂变混合方案都在考虑之中。激光惯性聚变能(LIFE)概念的一个关键特征是使用ICF产生的中子作为纯聚变装置，或在冷却层中引发聚变反应，从而提取几乎所有的能量并减少长寿命锕系元素废物。这种方法可以在不需要化学分离和后处理的情况下关闭核燃料循环，同时产生数千兆瓦的无碳电力。这种方案还可以焚烧99%以上的乏燃料，并将深层地质储存库的使用寿命延长20 [6倍。鉴于其封闭的燃料循环以及燃烧乏核燃料、多余武器钚和高浓缩铀的可能性，生命概念显得特别有吸引力。
结论
NIF现在正在运行，进行实验并获取数据，为计划于2010财年后期开始的低温分层目标点火实验做准备。在Ramp;D工作多年后，所有需要在NIF演示点火的系统都计划就绪，包括NIF激光器，一个有足够裕度的详细点设计目标，生产满足所有规格的高质量沥青的能力，以及允许根据点火条件精确调整激光和胶囊参数的高级诊断。NIF点火将首次允许进入实验室的燃烧等离子体状态，实现重要的库存管理研究，并展示惯性约束聚变的科学可行性。更一般地说，NIF创造极高压力、温度和密度的能力——高达1万亿个大气压、1亿摄氏度的温度和1000克/立方厘米的密度——将为支持美国能源部的国家安全、能源和基础科学任务带来重大的根本性进展。NIF和世界各地的其他主要设施将开启HED科学的新时代，点火的演示有一天可能会为人类带来取之不尽、用之不竭的清洁能源。
参 考 文 献
[1]C.A. Haynam, et al., National Ignition Facility laser performance status, Appl. Optics 46 (2007) 3276.
[2]“National Ignition Campaign Execution Plan,” LLNL report UCRL-AR-213718, NIF-0111975-AA, June 2005.
[3]J.D. Lindl, Inertial Confinement Fusion: The Quest for Ignition and Energy Gain Using Indirect Drive, American Institute of Physics Press, New York, 1998.
[4]J. Slater, B. Kozioziemski, G.W. Collins, E.R. M
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