核物理讲座-激光核聚变装置

核聚变实验装置,韩纪锋原子核科学技术研究所2011-5,主要内容,核聚变简介激光核聚变发展历程聚变靶的结构特征团簇靶,原子核内部结构,强作用,原子核平均结合能,重原子核分裂为两个较轻的原子核时，释放出巨大的能量。两个较轻的原子核结合为一个大的原子核后，释放出更大的能量。,235U裂变,中子,铀-235原子核,钡-144原子核,氪-90原子核,中子,中子不带电移近铀原子核时不受库仑斥力,+,+,+,+,能量,+,中子,链式反应,中子,铀-235核分裂,反应不断自我维持链式反应,核聚变,氚核,氘核,中子,氦-4,+,+,+,能量,核聚变,氘、氚核都带电，聚变发生要求二者必须足够接近，因此要求具有高能量，即高温度。,恒星内部核聚变,受控核聚变：让轻原子核（氢、氘、氚）聚合所产生的核能以可控的方式释放出来并有可观的能量增益的核反应D+DT(1.01Mev)+P(3.03Mev)D+DHe3(0.82Mev)+n(2.45Mev)D+THe4(3.52Mev)+n(14.06Mev)氢弹爆炸是核聚变反应，但它是瞬间的、不可控的。太阳上的核聚变反应是持续的、不可控的。受控核聚变能源：资源丰富（足够用上几百亿年）、洁净（无污染）、安全（核事故概率几乎为零）且经济（消费者可以承受）,核聚变与受控核聚变,受控热核聚变研究的基本思想:氢（氘和氚）等离子体(电子和原子核混合而成的完全电离气体)高温等离子体核聚变磁约束聚变(托卡马克)惯性约束聚变(激光打靶),核聚变与受控核聚变,惯性约束聚变,1964年，王淦昌提出激光聚变倡议1974年，首次在低温固氘靶、常温氘化锂靶、氘化聚乙烯靶上打出中子100亿瓦纳秒级激光器,1960年，发现反-粒子,惯性约束聚变原理,超短超强脉冲激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸在瞬间产生极高的高温和极大的压力被高度压缩的稠密等离子体在扩散之前，向外喷射而产生向内聚心的反冲力将靶丸物质压缩至高密度和热核燃烧所需的高温，并维持一定的约束时间，完成全部核聚变反应，释放出大量的聚变能,神光I计划,1985年，激光12号装置建成并投入运行，1钛瓦1986年，张爱萍命名为神光I1990年，神光I获得国家科技进步奖一等奖1994年，退役,2束激光，脉冲宽度1ns和100ps，波长1053nm或532nm，焦斑50nm；中子产额5E6,神光II,1994年立项8路激光，共8钛瓦，100ps2001年建成并开始打靶中子产额4E92004年，神光II峰值功率达到120钛瓦，脉宽36fs,2006年，增加第九束光路,神光III,2007年，在九院开工60束强光，能量达到60KJ惯性约束聚变点火工程（2020年）被已确定为国家中长期科学和技术发展规划的十六项重大专项之一,神光III原型,九院八所先研制神光III原型8束激光能量万焦耳,美国国家点火装置,NationalIgnitionFacility位于加州Lawrence-Livermore国家实验室192路激光脉宽1ns误差小于30ps2010年用75%激光能量打靶能量1M焦耳,SILEX-1装置,SuperIntenseLaserforExperimentsontheEXtremes能量200钛瓦，聚焦功率密度达到1021W/cm2.脉宽30fs,激光团簇聚变,T.DitmireNature398,489(1999),氘团簇聚变,聚变中子的确认测量根据中子（2.45MeV）的飞行时间来判定中子的产生。改变闪烁探测器的位置，观察飞行时间的变化；实验中探测器放在距离靶点37.5cm和67cm的地方，获得的中子信号时间间隔14.1ns。从飞行时间的变化上符合聚变中子飞行速度，因此确认为中子信号。,聚变中子信号,中子测量方法,激光尾场加速,激光尾场加速高能电子能谱,加速梯度达到100GeV/m，远大于传统加速器,磁约束聚变,国际热核聚变实验反应堆计划（InternationalThermonuclearExperimentalReactor，简称ITER）是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一7个成员：欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国地点：法国卡达拉舍,磁约束聚变原理,用磁场将等离子体约束在真空中通过感应、中性束、离子回旋共振、电子回旋共振、低杂波等方式将等离子体加热到上亿度的高温,前苏联科学家于20世纪50年代提出的托克马克最为可行,ITER装置示意图,建造经费5亿欧元，10年20年运行经费5亿欧元,EAST,中科院等离子体所ExperimentalAdvance