Physics Magazine 2022年度物理学十大亮点

<正>激光聚变辉煌的一年国家点火装置(NIF)实现了期待已久的里程碑。今年早些时候,该团队实现了点火,靶丸处的局部自加热超过了外部加热和损失到环境中的能量。不久前,研究人员宣布,他们已证明激光引起的核聚变反应所产生的能量大于其消耗的能量。尽管实现基于激光的聚变反应堆仍需要几十年的时间,但研究结果表明,激光聚变的发展速度与计算机发展的速度相似。     

神光-Ⅲ主机装置成功实现60TW/180kJ三倍频激光输出北大核心CSCD

2015年9月15日,由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承担研制的神光-Ⅲ主机装置成功完成了48束激光三倍频180kJ/3ns、峰值功率60TW的输出测试实验,标志着神光-Ⅲ主机装置已全面建成并达到设计指标,成为现有输出能力世界排名第二、亚洲排名第一的惯性约束聚变激光驱动器。     

受控聚变研究中的表面物理问题

一、受控聚变研究的目标 在目前阶段,受控聚变研究的目标是在反应堆中实现原子核的聚变反应并得到能量输出.这种反应的主要反应式是在以上各式中.括号中的量表示反应产生粒子携带的能量,单位为MeV 由于在常温下,这一反应的截面太小,一般认为,这一反应应在五百万到一千万度以上的高温下进行.这时的反应物质处于等离子体态,反应称为热核反应. 因此,为实现受控热核反应,须把反应物约束在一定的实验装置内,并且使它达到一定的密度,加热到一定的温度.这个条件可用反应离子密度n,离子温度Ti和离子的能量约束时间τ来表示.若只考虑轫致辐射的能量…     

激光间接驱动惯性约束聚变二维总体程序——LARED集成程序

介绍了辐射流体力学程序LARED集成程序的物理背景、模型方程、数值方法和数值算例。该程序主要应用于激光间接驱动惯性约束聚变的二维整体模拟,兼顾激光直接驱动、辐射驱动靶丸内爆过程和流体不稳定性等物理过程的数值模拟。通过与实验数据、一维辐射流体力学程序进行比对,验证了程序的可靠性。该程序实现了多群输运建模下NIF点火靶的全过程数值模拟,并已应用于惯性约束聚变的物理研究。     

高功率激光装置实现CBET研究所需的四色光输出

<正>2021年8月美国NIF实现了1.3 MJ聚变放能的里程碑,其中,交叉光束能量转移(CBET)是实现该放能的关键要素之一。利用CBET可补偿黑腔腰部驱动、缓解外环背散压力,从而改善黑腔内的驱动对称性,因此掌握和应用CBET技术具有重要意义。国际上目前仅美国开展了CBET所需的四色激光打靶技术研究,国内尚未开展实验研究。在高功率固体激光装置上实现四色光打靶需要解决四色激光产生、传输、放大、幅频效应抑制和高效三倍频等问题。近期,中物院激光聚变研究中心激光技术研究团队通过重构前端系统架构、抑制多色激光工作下的幅频效应、改进主放宽光谱下的增益模型、对三倍频晶体匹配角进行波长跟随等实现了激光装置四色光输出。形成的四色光打靶能力已成功应用于交叉光束能量转移实验研究。     

受控核聚变——现代物理学的一个重要前沿领域(之三)

 核聚变与核裂变可以说是核能的一对孪生兄弟.氘的聚变反应是在1934年世界上第一台加速器投入运行后不久就实现的,而铀的裂变反应直到1938年底才被发现.然而,裂变能源的发展一帆风顺而聚变能源的探索却道路曲折.早在1942年就建成了具有功率输出的实验性裂变反应堆,50年代就建成了商用核电站.而核聚变直到最近才基本证明了它的科学可行性,90年代可建成具有功率输出的实验反应堆,要到21世纪初才能发展商用聚变核电站.这是因为实现受控核聚变的条件实在太苛刻了!首先要使等离子体达到1亿度的极高温度,并且维持足够长的时间,以便产生足够多的聚变反应,释放大量的能量.     

美国激光惯性约束聚变能源研究综述

简要地介绍了美国激光惯性约束聚变能源( LIFE ) 的研究现状与发展前景。基于美国国家点火装置( NIF ) 的近期进展,美国利弗莫尔实验室提出了激光惯性约束聚变能源设想,并开始了分解研究。设想用新型二极管泵浦固体激光器产生1.4~2.0 MJ 的激光能量,靶丸聚变增益25~30,打靶频率10~15Hz,实现350~500 MW聚变功率,相当于聚变中子源强1.3×1020 ~1.8×1020 n/s。以此驱动次临界裂变包层,使能量再倍增4~10 倍,实现1 GW电功率的输出。采用创新设计的燃料元件,包层可达到90%以上的燃耗深度,形成一个安全、无碳、燃料资源丰富、核废料少、可持续发展的新型核能源系统。In this paper the present study situation and prospect of the American laser-based Inertial Confinement Fusion Energy ( LIFE ) are briefly introduced. It is based on recent progress of National Inertial Facility ( NIF ) and related research have begun. On the assumption of using laser energy of 1.4 to 2.0 MJ, the target fusion gain G=25~30, the repetition rate 10 to 15 Hz, the fusion power of 350 to 500 MW or neutron source power of 1.3×1020 to 1.8×1020 n/s could be achieved. For a sub-critical fission blanket driven by this fusion neutrons power, energy multiplication M of 4~10 and several GW of thermal power could be obtained. By novel design on fuel pins, burnup more than 90% would be achieved for heavy metals in the blanket. Inertial Confinement Fusion-fission energy is a promising concept, which characterized by inherent safety, richness in nuclear fuel resources, minimization of nuclear waste, non-CO2 emitting ,and it is a sustainable energy source.     

有限尺寸光栅压缩器设计

千焦耳高能拍瓦激光装置是实现激光惯性约束聚变“快点火”的基本技术手段。“快点火”前期基础物理实验要求：激光驱动装置输出激光脉冲的能量大于1kJ，脉冲宽度在1～10ps。而实现完全意义上的点火则需要万焦耳级的脉冲能量。激光技术上，啁啾脉冲放大（CPA）技术为实现高能、高峰值功率的激光输出提供了技术手段。然而，压缩器光栅较低的损伤阈值和较小的物理尺寸限制了快点火驱动装置的输出能量。目前，商品化介质膜光栅的损伤阈值仅约为1．2J／cm^2（ 1ps），     

受控核聚变——现代物理学的一个重要前沿领域(之三)

核聚变与核裂变可以说是核能的一对孪生兄弟.氘的聚变反应是在1934年世界上第一台加速器投入运行后不久就实现的,而铀的裂变反应直到1938年底才被发现.然而,裂变能源的发展一帆风顺而聚变能源的探索却道路曲折.早在1942年就建成了具有功率输出的实验性裂变反应堆,50年代就建成了商用核电站.而核聚变直到最近才基本证明了它的科学可行性,90年代可建成具有功率输出的实验反应堆,要到21世纪初才能发展商用聚变核电站.这是因为实现受控核聚变的条件实在太苛刻了!首先要使等离子体达到1亿度的极高温度,并且维持足够长的时间,以便产生足够多的聚变反应,释放大量的能量.     

Be靶丸的研制进展及其关键技术北大核心CSCD

可控核聚变反应是科学家用来解决能源缺乏和发展可持续能源的理想途径,为此美国开展了惯性约束聚变(ICF)研究,建设了国家点火装置(NIF),旨在实验室演示核聚变反应,为惯性约束聚变能(IFE)发展指明方向。制靶是NIF点火工程三大主体之一,如何制备满足设计需求的靶丸成为科学家不懈努力的追求目标。详细介绍了NIF工程中主要候选Be靶丸需求背景、研究现状、Be靶优势、靶参数设计要点、靶丸制备技术,以及制靶过程中存在的关键技术问题,为我国Be靶制备及制靶能力建设提供参考信息。     

惯性约束聚变的进展

现阶段受控热核聚变研究的两个主要途径是磁约束聚变与惯性约束聚变.惯性约束聚变目前主要是采用激光驱动的方法,在1987-1988年间取得了突出的进展. 劳仑斯·里弗莫尔国家实验室(LLNL)用NOVA激光器进行的一系列实验中是采用0.35μm的激光,能量为20000J.实验结果,等离子体密度n与约束时间■的乘积n■～5×1014s·cm-3,密度被压缩到液态氖氖密度的100-150倍.这些爆聚实验与假定理想球对称时磁流体模拟的预言一致.这些结果支持了如下的观点:如果以数百万焦耳能量的激光驱动高性能的靶,激光聚变可达到高的能量增益(能量增益超过100). 罗彻斯…     

激光聚变内爆流体不稳定性基础问题研究进展

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题,因而受到国际社会的普遍重视,一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍（属于内禀困难）是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制,对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科,同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题,高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外,流体力学不稳定性及其引起的湍流混合,还是天体物理现象（如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸）中的重要过程,涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展,梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性,在大量分解和综合物理研究基础上,凝练出了目前制约美国国家点火装置（NIF）内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来,总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后,展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制,以及聚变靶物理研究与设计,注重理论探索和实验研究相结合,近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果,有力地推动了该研究方向在国内的发展。     

TNT后燃反应的水下爆炸实验研究与数值模拟

为了研究TNT炸药的后燃反应,采用水下爆炸实验方法和一种增强炸药后燃反应的实验装置,对TNT炸药的能量输出结构进行了研究,计算得到了不同气体氛围下的后燃反应能量。采用Miller能量释放模型,对后燃反应实验结果进行了数值模拟。结果表明:在实验装置中充入空气或氧气,可明显增强TNT炸药的后燃反应能量输出,实测的后燃反应能量随着氧含量的增加而增大,在实验研究范围内后燃反应能量的最大值达到4.90kJ/g,但并没有达到后燃反应能量的理论最大值;冲击波压力时程曲线的数值模拟结果与实验结果基本一致,证明了Miller能量释放模型的可行性。     

受激散射过程理论模型的发展与应用

在激光间接驱动的惯性约束聚变（ICF）中,高强度激光与低密度等离子体发生相互作用,会激发两种受激散射过程:受激布里渊散射和受激拉曼散射。它们会损失激光能量、破坏辐射场对称性、产生超热电子,从而危害聚变点火过程。因此,理解受激散射的物理过程并找到抑制其发展的有效方法,是ICF研究中重点关注的问题。介绍了中国激光聚变研究团队为研究受激散射过程而发展的多个理论模型,以及这些模型在实验数据分析中的具体应用。这些理论模型与实验研究一起,为提升受激散射过程的物理理解发挥了重要作用。     

核聚变反应堆的探索

一、前 言 研究受控聚变的重要意义,在于可能建成核聚变反应堆,使轻核聚变释放的能量转变为电能加以利用,这为长远解决能源问题提供了一个很有希望的前景.近年来,在受控聚变的理论和实验研究取得进展的基础上,国外对于未来的聚变堆愈来愈多地开展了工程设计工作.1969年和1971年先后召开过两次国际性的聚变堆工艺会议[1,2].1973年也又召开了一次.现在,针对已有的几种主要类型的热核反应实验装置,差不多都提出了相应的聚变堆模型设计(或概念设计),说明聚变堆的设计研究已日益受到重视. 建立受控聚变反应堆有个基本条件,就是要求热核等离子体的…     

激光惯性约束聚变中光学汤姆逊散射研究进展

当前，激光惯性约束聚变在越来越接近点火的极端能量密度条件下，实验与模拟的偏离逐渐增大，一个关键原因是缺乏对黑腔等离子体状态及其影响黑腔能量学和内爆对称性的细致研究和判断。光学汤姆逊散射主动式、诊断精确、参数完备的优点，使之成为激光惯性约束聚变黑腔等离子体状态参数精密诊断的标准方法。中国面向激光惯性约束聚变研究的光学汤姆逊散射实验技术的发展与神光系列激光装置的建设和在其上开展的物理实验紧密相关。近年来，四倍频汤姆逊散射实验技术在神光III原型和100 kJ激光装置上相继建立，部分实验结果不仅加深了对激光惯性约束聚变靶物理的认识，还反映了实验条件对汤姆逊散射诊断的影响，促进了实验技术的精密化发展。在未来，还需要进一步发展多支路汤姆逊散射、五倍频汤姆逊散射和超热相干汤姆逊散射等新技术，面向点火黑腔条件，大幅提升激光等离子体状态参数的诊断精度，开展新物理机制的探索和研究，在激光惯性约束聚变和其他高能量密度物理科学领域发挥更重要的作用。     

用单发电子束探测激光等离子体内电磁场演化实验研究

惯性约束核聚变研究最近取得可喜成果,美国国家点火装置NIF装置实验上聚变增益达到了输入激光能量的三分之二.但是,这一成果与人们的预期还有较大差距,需要更深入研究激光与等离子体相互作用初期的动力学过程.我们发展了一种新方法,用单发长脉冲电子束团为探针,测量激光等离子体内电磁场在整个等离子体持续时间内的演化过程.实验中,高压静电电子源产生能量0—100 keV连续可调、脉宽10ns的电子束团.1 J,532 nm,脉宽约4 ns的激光脉冲聚焦到银靶上,激发产生等离子体.电子束团穿过激光等离子体,被其中的电磁场调制后成像,单发电子束团时间宽度会覆盖整个等离子体持续时间,通过分析电子束团的调制强度,推得等离子体内电磁场的变化.实验上成功实现了单发电子束团对整个激光等离子体内电场的诊断测量,获得了演化曲线,推算出实验条件下电子束通过路径上平均电场的最大值约为7.74×10~5 V/m.     

聚变中子能谱测量系统脉冲中子灵敏度的实验研究

为多种复杂环境下的稳态和脉冲DT聚变中子能谱测量建立了一种灵敏度优化反冲质子磁谱仪. 使用成像板和同位素α源测量了谱仪的反冲质子能量-位置投影关系. 利用稳态加速器中子源平台、通过单粒子计数方法结合三维带电粒子输运程序模拟,研究了谱仪脉冲中子灵敏度能量响应. 通过高探测效率参数设置使谱仪对DT中子的探测效率达到2×10^-5 cm²水平,从而在较弱中子源上获得了较高统计精度实验数据. 程序模拟结果与谱仪α粒子刻度和DT中子标定实验结果取得了良好的一致性,可由此发展精细解谱技术,以提高脉冲中子能谱测量的灵敏度和能量分辨. 关键词： 聚变中子能谱 磁反冲质子 脉冲中子灵敏度 粒子输运     

低能量阈高纯锗探测器用于暗物质探测实验研究

一个位于韩国江原道襄阳郡地下实验室的暗物质WIMP探测实验中, 采用了低能量阈高纯锗探测器, 带有碘化铯晶体反符合探测器作为主动屏蔽体. 整个系统设置和能量标定已经完成, 并且已经积累了约155d的本底数据. 还应用外置伽玛源和中子源进行了实验, 以判断本底的来源. 介绍了数据的分析和初步结果, 并给出了实验诱人的前景.     

有机太阳能电池研究进展

为了减轻当前能源危机所带来的压力,各国在太阳能电池等清洁能源领域投入了大量的人力、物力和财力.由于有机太阳能电池具有独特的优点(有机材料易于修饰,器件制备方法简便且可制备出柔韧器件),并且随着相关研究的深入,有机太阳能电池的能量转换效率逐步得到提高,这昭示了有机太阳能电池商业化的美好前景,目前已经有大批科研工作者投身于有机太阳能电池领域的研发工作.文章从太阳能电池小分子材料、聚合物材料和提高有机太阳能电池能量转换效率的方法这三方面入手,对有机太阳能电池领域进行综述.