高能量密度科学在NIF国家点火装置上开花结果

发布时间: 2017-03-20 10:05:07   作者:本站编辑   来源: Physics Today   浏览次数:

     

  国家点火装置 (NIF)开始立项已经超过了七年时间,比原定达到其目标的最后期限超出了四年,目前仍有待于产生可以超过启动激光驱动反应的聚变能量。虽然科学家们仍继续在价值35亿美元的劳伦斯利弗莫尔国家实验室中追求点火,已经有越来越多的学术研究人员利用了1.8MJ激光独特的压缩和其他诊断功能来探索基本的凝聚态物质、天体、行星科学和其他领域的问题。NIF管理顾问委员会的主席约翰布朗说NIF打开了科学界广阔的参数空间,从而寻求在其他方式下达不到的温度和压力。

  作为NIF最早的学术用户,加州大学伯克利分校的物理学家雷蒙德说,这项设施为约200位高能量密度科学实验工作者提供了一个真正的物理条件 NIF的能源范围是罗彻斯特大学30 kJ的欧米伽装置的60倍,能对直径为2毫米的靶施加1015Pa的压力。即使在耦合不佳或其它低效率情况下下降几个数量级也能达到10TPa,它等于木星中心压力,这远远超过了使氢原子自瓦解的2.3TPa压力。在这种压力强度下,实验工作者们可以获得一个新的化学条件——千电子伏特keV化学,这与更普遍的典型的电子伏特(eV)标准化学成键能量形成对照。雷蒙德:“我们认为在这些条件下,原子内部的核心电子实际上参与了化学成键。有理论支持这个预测,但在这个领域只有极少数实验工作已经完成。”这些条件可以在巨星和超巨星内部发现,也可以在棕矮星更极端的条件中发现。

  1技术人员正在将成像板从X射线成像仪(世界上最快的X射线条纹相机)中取出。

  NIF的打靶数目大幅上升,其中大多数是武器项目,打靶数目从2014年财政年度的191增长到2016年财政年度的417,增长了一倍以上。NIF总工程师马克·赫尔曼说:“基于对大透镜的光诱导损伤有更好的理解,实验室已经能够最大化地使用激光器设计的全部能量”。新知识引起了一系列变化,包括最初制造的光学器件的改变,通过光阑后光强度的均匀性增加,以及更加自动化的光学再循环过程。对NIF而言,科学家们面临的一个巨大的挑战是在NIF192束打靶时对发生的现象拍摄精细的照片。这个过程的时间和空间尺度都非常微小:不急需要分析黑体辐射腔里面和装在圆柱腔内的微小尺寸聚变燃料靶丸里面发生了什么,还需要在高能x射线环境下对50μm分辨率的纳秒时间尺度进行测量。通用原子公司副总裁约瑟夫·基尔肯尼一直在NIF工作,他说:“跟踪靶丸的内爆需要在高中子通量的环境下进行几微米尺度的测量。”实验室中有超过100名科学家和工程师以及其他机构都在帮助开发NIF70项独立诊断。最新的进展包括合成算法CMOS探测器,可以通过黑体辐射腔的入口孔和膨胀的x射线成像来制造电影,这提升了用光子信号脉冲来展示靶丸内爆过程的10 ps时间分辨率,而传统封闭的 x射线照相机最多只能实现100 ps的分辨率。

  目前正在进行的一个国际合作尝试合成一种新的碳BC-8,预计会在压力为1 TPa的条件下产生。利弗莫尔实验室的研究者艾米说她和她的同事们希望能观测到在周围的压力和温度下BC-8是不是处于亚稳态,如果是的话,有可能使用现有的化学物质汽相淀积方法将一种新的高强度碳合成钻石。研究者们还在NIF上探求其他行星科学和天体物理学问题。在寻找是否有存在生命的外星球时,可以考虑其他星球是否有一个外核液态铁包围的固态铁核心。这个组合用于产生发电机和行星表面的磁层,可以保护其抵御来自母星的带电粒子流。被称为超级地球的大系外行星的核心压力预计能达到3.5TPa,是地球中心压力的10倍。另一方面,NIF与大学的一项新合作将对少量的铁施加高达2TPa的压力,他们计划探究在这样的条件下金属是否仍然保持固态。一个开始于2015年且目前正在进行的项目探讨了尘埃云中恒星诞生的动力学过程。当一个新的恒星点亮时,其紫外线辐射通过辐射烧蚀席卷了浓密的云。这个机制同样用于在NIF聚变实验中驱动内爆,实验中强烈的x射线引起燃料靶丸的表面高速爆炸。实验包括依次消灭和蒸发三个或四个黑体辐射腔,寿命相对较长的60 ns辐射源对于获得一个稳定的光源且重新创建相关的物理学是非常有用的。

  无论是否实现点火,从NIF实验中获得的知识都是很有意义的。赫尔曼说。如果我们实现点火,我们将可以展望一个全新的远景,我们可以做更多的事情。如果我们没实现点火,那就找出为什么我们不能实现它,我们的模拟出现了什么问题,这些都是非常重要的。布朗说:“模拟现在已经得到改善,研究人员能可靠地预测在打靶时候发生了什么。目前存在的问题是现有的预测能力是否能够推断点火的规模。”当人们对NIF点火还持有乐观态度时,赫尔曼提到了其他例如在中国、法国和俄罗斯建设的相似的设备,有的甚至比NIF的规模还大。但是即使能量比NIF大两倍点火也并不是那么容易,他提醒到:“即使有很强的能量我们还是必须学习如何使它工作起来”。除了减少每一次打靶所需的纳秒激光脉冲数目和强度,点火科学家们还一直在尝试用钻石来做靶丸外壳。最初的靶丸是塑料,其他候选材料还有铍。为了将靶丸固定在辐射腔内而使用30 nm厚的薄膜,这会引起动力学不稳定性,研究人员也一直试图研究清楚如何减少这种不稳定,并且减少在打靶前通过被送入靶丸的低温氘和氚而产生的不稳定。实验也一直在进行以确定黑体辐射腔内部使用氦气的最佳密度,气体过多会产生更强的激光等离子体不稳定性;气体太少在内爆发生前就会内壁倒塌。实验工作的下一步是尝试更大的黑体辐射腔。靶丸离内壁越远,通过黑体辐射腔平滑的x射线辐射以及均匀地沉积在靶丸上的机会就越大。但有一个权衡:如果靶腔太大,传递给靶丸的能量将不足以驱动内爆。

  自从初次点火在2012年结束以来,NIF的大部分工作都已投入其他核武器相关的项目,包括在极端的压力下钚的行为。其中一个技术是用NIF的光束来压缩钚和其他产生超亮x射线的元素,这可用于探测金属的原子结构。赫曼说这些实验已经能够到达之前难以达到的压力,这些压力强度与核武器相关。确切的压力强度需要进行分类,但赫曼说这个压力比那些钻石砧细胞可以达到的压力还要高出许多。大量支持核武器储备的实验解决了动力学不稳定和在高能密度机制下的辐射流体力学问题,这些研究也引起了基础科学的兴趣。其他许多实验技术可以用来描述与武器并不相关的材料。布朗说这些武器相关的实验增加了老化的武器军械库的可靠性和安全性。

  NIF装置上还需要进行大量惯性约束聚变的科学研究。如果实现了点火,还需要进行更多的研究让其更容易、更有效率地产生并且实现可再生。雷蒙德说:“这个领域的丰富性并不是你是否将一面称为点火的旗子插在山顶,而是真正开辟一条通往山顶的道路,并且一路上不断补充对材料特性和动力学、包括动力学不稳定的更深入的理解。

田野摘译自:David Kramer, High-energy-density science blooms at NIF, Physics Today 2017 70:2, 33-35

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