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国产热核聚变走独竖一帜自己作主路径,捷克共

日期:2019-09-28编辑作者:科技之门

Stefan Weber在报告前简要介绍了位于捷克布拉格的ELI-Beamlines项目的最新进展。之后他对利用数拍瓦级的激光脉冲产生正电子研究作了报告。

2010年9月以来,美国在NIF上进行了国家点火攻关实验。贺贤土介绍,在本次大会上,美国国家聚变点火装置计划首席科学家约翰·林达综合报告了研究进展。在2010年9月到2011年9月财年的第一轮实验中,他们取得了过去50年ICF点火和热核燃烧探索以来的重要进展,包括取得了热斑内2微克氘氚燃料已达到增益为1的结果,具有里程碑意义。这一轮实验旨在了解点火过程流体力学等的分解研究,以掌握点火过程各种重要物理因素的数据和规律,为进一步演示实验室点火做准备。该团队认为他们已确认了达到点火的优化内爆的步骤。

颜学庆教授(左上)、Jonathan Wheeler教授(右上)、李玉同研究员(左下)、鲁巍教授(右下)

高功率激光物理联合实验室博士朱坪介绍了神光Ⅱ激光装置与物理实验平台。随后,Vladimir Tikhonchuk与Stefan Weber参观了高功率激光物理联合实验室。

“我国独立自主走了完全不同于美、法的研究路线。美国是直接从万焦耳级能量靶物理研究结果定标推到能量大50~60倍的兆焦耳激光器上进行点火演示。”贺贤土说,我国ICF点火研究采取的是一种从万焦耳级到十万焦耳级,再到百万焦耳级的循序渐进的路线图,即在近期万焦耳级激光器(神光Ⅲ原型、神光Ⅱ以及即将运行的神光Ⅱ升级装置)研究基础上,到2014年左右进入激光能量20万~40万焦耳神光Ⅲ平台研究。经过这一中间平台对靶物理进行充分研究,然后外推到激光能量约为神光Ⅲ能量4~5倍的神光Ⅳ上进行惯性约束聚变研究和点火演示,这样可以减少风险。这一路线选择也得到了国际同行的认可。

5月12日晚7点,一部描述了苏联“原子弹之父”科尔恰托夫生平的电影《目标的选择》(1975年)为此次“黉门对话”拉开了序幕。

Vladimir Tikhonchuk介绍了近期在法国开展的惯性聚变研究工作,论证了两种点火方式:快点火与激波点火,着重介绍了磁场导引电子的快点火研究以及激光驱动热电子的激波点火研究,展示相应的模拟分析结果。他还给出了未来在法国LMJ-PETAL上的高能物理研究计划,归纳了实现直接驱动点火条件的几点研究方向以及欧洲在这方面的贡献。

贺贤土透露,美国国家点火装置有望在明年进行点火演示。如果成功,则证明了惯性约束聚变的科学可行性,这将是ICF研究的重要里程碑。同时,我国走了一条完全独立自主的ICF研究路线,预计2020年左右演示实验室点火和热核燃烧。

 

Extreme Light Infrastructure 是欧洲激光科学协会的超级激光设备研究项目,目标建立世界最强激光束,ELI三个主要激光装置分别位于捷克共和国、匈牙利以及罗马尼亚。Laser MegaJoule是法国原子能委员会的激光聚变点火装置,其中一路PETawatt Aquitaine Laser为皮秒拍瓦激光,LMJ-PETAL装置将用于开展高能密度物理与惯性聚变等学术研究。

谈到科学可行性证明时,贺贤土说,能源用驱动器需要发射每秒约10次脉冲,每次脉冲需要达到像NIF那样的激光能量,美国代号“水星计划”的项目已有多年研究,目前中国、日本和法国也在积极研究。它涉及元器件关键技术、材料、排布等一系列复杂技术问题。从技术和经济角度看,目前其他驱动器(如准分子激光器、Z-Pinch装置、重离子束驱动器)还需作更大探索。

孙承纬以“超短激光对固体材料的烧蚀效应”题进行演讲。孙承纬主要介绍了激光辐照的热和力学效应、飞秒激光与物质的相互作用、飞秒激光微加工的技术应用以及飞秒激光辐照引起层裂破坏方面的内容。Vladimir Tikhonchuk教授作了题为“Research and Education on High Energy Density Physics in Europe”的报告。Vladimir Tikhonchuk主要从为什么聚变能源是如此重要;激光对于聚变能源的需求有怎样的贡献;我们可以利用高能激光做其他什么;欧洲在高能密度物理领域的研究四个方面进行报告分析。李儒新作了题为“The marriage between ultra-intense optical and hard x-ray lasers”的报告。李儒新在报告中介绍了上海超强超短激光实验装置(SULF,主要包括10拍瓦激光系统),以及物质科学与生命科学等综合性研究基地的情况。李儒新指出,2017年《科学》评论文章高度评价了SULF装置。他还提出了与超强超短激光相关的一些重大科学问题。

6月21日,法国波尔多大学教授Vladimir Tikhonchuk与捷克科学院物理所研究员Stefan Weber到中国科学院上海光学精密机械研究所进行学术交流,并分别作了题为High energy density physics in FrancePair production and gamma-rays in laser-electron collision的学术报告。高功率激光物理联合实验室主任朱健强主持了会议。

那么,我国ICF研究进展如何?其实,早在1964年,我国著名核物理学家王淦昌就在国际上独立提出激光驱动聚变的建议,由此掀开了我国ICF研究的历史。

北京大学应用物理与技术研究中心成立于2007年12月,为我国在高能量密度物理及聚变科学领域的主要研究基地之一。中心承担了国家高能量密度物理及聚变科学相关的重大研究课题七十多项,取得了一批高水平研究成果,在国际上形成了较大影响。

热核聚变能源是人类理想的干净能源。目前,实现可控核聚变主要有两种技术途径。一种是用托卡马克装置开展“磁约束聚变”的研究,如国际热核聚变实验堆计划;另一种就是ICF。ICF是利用高功率大能量驱动器提供能量,使含氘氚聚变燃料的靶丸发生内爆压缩和热核点火燃烧,释放高增益的聚变能。ICF研究除了应用于聚变能源之外,还可用于国防和基础科学研究。

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我国走了不同于美、法的自主研究路线

孙承纬院士(左上)、Vladimir Tikhonchuk教授(右上)、李儒新院士(左下)、张小民研究员(右下)

“惯性聚变能反应堆和电厂的建造和商业化,仍然需要工程上和经济上的论证和努力,但如果驱动器能解决,这些不是不可逾越的障碍。”贺贤土表示,展望本世纪中叶,人类有可能利用没有污染的惯性约束聚变能发电。来源:中核网

中国工程物理研究院孙承纬院士、法国波尔多大学Vladimir Tikhonchuk教授、中国科学院上海光学精密机械研究所李儒新院士、中国工程物理研究院张小民研究员、中国科学院物理研究所李玉同研究员、清华大学鲁巍教授和法国综合理工大学Jonathan Wheeler博士等来自中、法的超强超短脉冲激光专家,以及中国科学院、中国工程物理研究院、清华大学、北京大学各学院的60余位师生参加活动。活动由北京大学应用物理与技术研究中心主任张维岩院士、工学院唐少强教授主持。

惯性聚变能有望在本世纪中叶商用

5月13日下午,唐少强主持主题演讲II和嘉宾对话环节。北京大学物理学院颜学庆教授介绍了由中国工程物理研究院(下简称“中物院”)创办的英文期刊Matter and Radiation at Extremes(MRE)。颜学庆重点介绍了MRE近几年来举办的会议,并对今后期刊的发展做了展望。张小民研究员向听众展示了三代高能激光的发展。他在报告中介绍了世界各国高能激光器的发展,并对第三代高能激光器做了展望。Jonathan Wheeler教授作了题为“Sience of High Energy,Single-Cycled Lasers”的报告,强调CPA技术的出现极大地提高了激光能量,并介绍了NIR脉冲压缩的方法、薄薄膜压缩器的实现原理、单周期光产生相干Xray的方法与其他光源的对比。李玉同研究员作了题为“强激光技术的发展给天体物理研究带来的新机遇”的报告。他指出,宇宙中绝大多数物质都处于高能量密度状态,通过激光与等离子体相互作用来研究天体物理是目前的一种新方法,还介绍了利用强激光发展新型超快辐射源方面的研究内容。最后,鲁巍教授作了题为“未来光源的前景及挑战”的报告。鲁巍主要讲述了尾波场加速以及基于尾波场加速的对撞机光源两方面的研究内容。鲁巍强调,当前所有机制都存在着挑战,做长远科研目标要有分阶段目标,并要多一些台阶实现最终目标。

据悉,从2011年10月到2012年3月,该研究团队将进行第二轮实验,并计划继续调整靶的性能,目标瞄准2012年实现实验室点火。

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“ICF研究经过近50年的努力和几次国际上的大评审,总结了经验和教训,发展基本上是健康的。”贺贤土认为,从最近国际上的进展来看,美国有可能在2012年左右实现实验室点火演示,目前还没有发现物理和技术上不可逾越的重大障碍。但仍需充分重视深化靶物理研究,充分掌握各个主要环节的物理规律。

座谈现场

美国预计将在2012年实现实验室点火

5月13日上午,张维岩介绍了本期“黉门对话”的主题和意义,以及目前中国神光装置的发展及实验、激光粒子加速领域的进展。

在本届大会上,贺贤土代表我国ICF研究团队作大会邀请报告,综合介绍了我国ICF研究物理理论和数值模拟、物理实验和高功率激光器方面的重要进展。

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“自从上世纪60年代初激光器问世以后,中、美、日、苏联等国即着手激光驱动惯性约束聚变研究,40多年来,该研究已取得重要进展,目前正处在实验室演示热核点火和燃烧前夕。”日前,刚从法国参加2011年惯性聚变科学与应用国际会议归来的中科院院士贺贤土在接受专访时表示。

本期“黉门对话”活动由北京大学研究生院主办,北京大学应用物理与技术研究中心、高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室、北京大学物理学院以及工学院四个单位共同承办,Matter and Radiation at Extremes协办,是北京大学为创新研究生培养理念和教学模式、启迪科学精神而启动的一次思想交流。

据悉,神光Ⅲ装置设计是48束激光,今年1月已出第一束激光,预计今年可安装完16束,计划2014年全部出光运行,进行物理实验。

与会人员合影

“实现聚变能需要经历实验室演示热核点火和燃烧、聚变发电演示和商用发电3个阶段。”贺贤土介绍,近年来,随着大能量激光器的建造和发展,特别是美国NIF的建成,研究正处在ICF点火前夕。

主题演讲结束之后,七位科学家以开放式座谈的方式和听众进行现场问答和交流,向同学们打开了一扇与前沿专家面对面畅谈的大门。30多位来自全国各地的超强超短脉冲激光爱好者踊跃向七位专家提出了感兴趣的问题。问题内容涵盖原子电离、实验室天体、激光与物质相互作用、超短超强激光应用以及世界各国在超短超强激光的发展情况等方面。嘉宾结合各自专业背景,从多个角度出发给予了解答。几位科学家在最后都表达了对参会青年学子的期许,希望大家能投身科学事业,不断探索未知领域。

“我国的研究起步比较早,但由于种种原因一直到1993年纳入国家863计划后才有很大的发展。”作为国家863计划ICF主题专家组原首席科学家,贺贤土介绍,该计划规划了国家ICF发展目标,确定了激光驱动器和单元技术、靶物理理论、靶物理实验、精密诊断设备、靶的制备“五位一体”协调发展思路,各方面均取得重大进展,打破了西方垄断和封锁,建立了独立自主研究ICF体系,为2020年左右我国演示实验室点火和热核燃烧计划打下重要基础。

编辑:凌薇

2018年5月12日至13日,北京大学第三十三期“黉门对话”系列活动“Dream Light Source——超强超短脉冲激光正在引领的科学和技术变革”在北京大学应用物理与技术研究中心举行。

北京大学副校长龚旗煌院士受邀出席并致辞。龚旗煌在讲话中指出,本次“黉门对话”探讨的是超强、超短脉冲激光领域问题,介绍了超短激光在各个领域的应用,并对120周年校庆之际北大的发展及展望进行了介绍。

本次活动分为影片赏析、主题报告和对话交流三个环节。

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龚旗煌致辞

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