激光核聚变ICF(老文章存档)

追逐地球上的“太阳”
——核聚变研究状况及其新进展

中国科学院院士　王乃彦

　　目前人类的主要能源来自煤、石油、天然气和用于核裂变的铀，但这些化石燃料的蕴藏量都是有限的，而其中有些化石燃料是很有用的化工原料，作为能源燃烧掉也十分可惜，而且还造成对环境和生态的严重污染。因此，人类把最终解决能源问题的希望寄托于核聚变能——被科学家们誉为“地球上的太阳”。
　　聚变能是把两个质量轻的原子核(如氘、氚)聚合在一起释放出的能量，如太阳的能量和氢弹爆炸的能量；裂变能是重的原子核(如铀235、钚239)在中子作用下裂变成两个质量较轻的原子核时释放出的能量，如目前世界上核电站输出的能量和原子弹爆炸的能量。
　　人类梦寐以求的聚变能是一种清洁、安全和资源蕴藏极其巨大的能源。它不产生二氧化碳、二氧化硫及其它有毒害的气体和颗粒，与太阳能、水能、风能和地热能相比具有不受时间和地域的限制的优点，与核裂变能相比，由于不存在裂变反应堆中的后备反应性，因此不存在临界事故的危险。核聚变的燃料是氢的同位素氘和氚，在海水中每6500个氢原子中就有一个氘原子，在地球上含有10¹³吨左右的氘，可以说氘的蕴藏是极其巨大的，几乎是“取之不尽、用之不竭”的燃料。氚是放射性同位素，在自然界中天然的氚极其稀少，可以通过中子与锂-6原子核的作用或氘吸收中子而产生。聚变燃料的释能本领比裂变燃料要大好几倍，比化石燃料则大上百万倍。
　　核聚变固然具有许多优点，然而要实现聚变“点火”的条件是很高的，而且实现它的难度相当大。高温和满足劳逊判据是实现核聚变点火的条件。高温是使得原子核具有足够高的运动速度，以克服原子核之间的库仑位垒，实现核反应；劳逊判据的条件是参与核聚变反应的粒子数密度和能量约束时间之乘积必须达到一定值。1991年11月欧洲联合环(JET)进行了首次氘氚聚变实验，美国TFTR装置于1993年12月进行的氘氚聚变实验，其最高输出功率超过JET的结果达到了6.4兆瓦，并在1994年5月底的实验中达10.8兆瓦。
　　引人注目的是，1991年欧洲共同体、美国、日本、俄罗斯协议联合设计建造一个国际聚变实验堆(ITER)，预计在下世纪初投入运行，耗资约100亿美元。ITER每次放电持续时间约1000秒，聚变功率达1500兆瓦。该实验堆设计的特点是设备庞大，技术复杂，环形室的环面直径将达16米，环形室内的磁场由超导线圈所产生，它的建成对于开展全规模的聚变堆的技术及有关的材料研究无疑具有重要的意义。
　　然而国际聚变实验堆并不是未来商用聚变堆的原型，在它上面并不能有把握地实现连续运行。它虽然是迄今为止计划建造的最大托卡马克装置，但面临着技术和经费的困扰，因而科学家们正在寻求缩小规模、节省资金的替代方案。最主要的设想有下面几种：认为在科学家还没有完全掌握建造聚变堆的知识的情况下，不应该把装置建得过于庞大，应该具有一定的灵活性，这种想法主要在意大利的实验室中进行，他们已经在较强磁场的较小装置上成功地约束了热等离子体。由于国际聚变实验堆上等离子体约束性能并不十分理想，需要进一步提高，日本JT—60SU的超导装置的初步概念设计是探索先进的约束模式。也有人提出开发具有超级约束特性的全新磁结构，以实现比较经济的聚变堆。在磁约束聚变中除了托卡马克装置外，德国、日本都在建造大型的超导仿星器，在仿星器的实验中等离子体的约束性能及稳定性和相同规模的托卡马克装置上的结果相比都并不差。
　　核聚变的另一重要途径是惯性约束聚变。它的基本原理是在一个约为几个毫微秒的时间内，将能量约为几个兆焦耳的脉冲激光束、粒子束均匀地照射到氘、氚燃料的靶丸上，由靶丸表面物质的溶化、向外喷射而产生的向内的聚心的反冲力，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，释放出大量的聚变能。以激光束为驱动器的惯性约束聚变称为激光核聚变。目前国际上最大的激光聚变装置是美国劳伦斯利弗莫尔实验室的NOVA装置，它有10束激光，在波长三倍频的情况下，输出激光的能量达40千焦耳，该实验室曾利用核爆情况下产生的强X射线间接驱动惯性约束聚变，取得了十分鼓舞人心的结果。美国计划花11亿美元建造一个国家点火装置(NIF)，它是钕玻璃激光器，输出激光能量为1.8兆焦耳，靶上激光脉冲功率峰值达5亿兆瓦，预计可以达到点火，计划在2003年左右建成。
　　我国核聚变研究在国际上具有先进水平，真正接近模拟堆芯等离子体的磁约束聚变装置。现在已建成的HL—1M和HT—7两套中等规模的托卡马克装置，分别建立在成都中国西南物理研究院和合肥中科院等离子体物理研究所。中国环流器新一号(HL—1M)除具有离子回旋共振加热、电子回旋共振加热手段外，还增加了中性束注入加热手段，配置了低混杂波电流驱动系统和多发弹丸注入系统。HT—7是一台超导磁体托卡马克装置，它的放电时间在第一阶段长脉冲状态可达5秒，在准稳态状态下可达60秒。在这两台托卡马克装置上都取得了重要的科研成果。目前HT—7u(HT—7升级)和具有良好性能偏泸器的HL—2装置正在建造。
　　我国激光惯性约束聚变的研究起步在国际上也是比较早的。在60年代即已进行用激光打氘冰靶出中子实验，以后主要在增大激光的能量和提高光束品质方面努力，到80年代神光Ⅰ装置问世。目前在上海高功率激光物理联合实验室正在建造神光Ⅱ，它有八路激光，总能量为6.4千兆，三倍频后的输出能量约3千兆。北京中国原子能科学研究院正在研究一台氟化氪准分子激光装置，用于研究短波长高功率激光和等离子体的相互作用。
　　当今世界，各国科学家正在积极研究和探索，追逐地球上的“太阳”，预计下世纪中叶核聚变能将开始投入商业应用。

(《人民日报》1998年12月1日)


神光II系统输出激光能量全面达标。脉宽1ns，八路总能量大于6000J，最大每束800J；能量平衡5%；光束质量优于3.5倍衍射极限；四束激光大能量穿380μm小孔，平均穿透率85%；器件经几个月运行，没发现激光介质损伤。
神光II装置首轮物理实验获得重大突破。首轮直接驱动内爆出中子物理实验于4月7日首发激光发射就获得2×109个中子产额；这一实验又重复数次，最高获得3.9×109个中子；这次理论、实验、器件、诊断和制靶研究水平的综合检验，标志着我国激光核聚变研究总体水平跨上一个新的台阶。
高功率激光发展相关的系列单元支撑技术，包括神光II、神光III装置所用的高质量大功率氙灯、大尺寸高质量磷酸盐激光玻璃和超高强度、超高性能的激光薄膜都通过了863-416专家组的阶段验收，获得高度评价，主要性能达到并部分超过国外先进水平。

惯性约束聚变是利用高功率的激光束或粒子束辐照聚变燃料，聚变燃料被压缩T高温高(5千万度以上)密度(600g/cm^3)发生聚变。由于这个过程与氢弹有相似T处，惯性约束聚变研究从一开始就是处于保密状态。也由于惯性约束聚变与氢有关，几个核大国在二十世纪60年代就开始了各自的研究。1994年，美国PLawrence Livermore National Laboratory解密了他们在90年代以前的实验结果。值得国人自豪的是，中国是开始这方面研究的最早的国家之一：已故杰出的核理学家王淦昌院士在1964年就提出了激光聚变的设想。然而限于中国的国力，尽管起步不晚，我们在这种大科学工程方面的研究不可避免地还是走在了别人的前面。中国进行惯性约束聚变的主要力量有两个：一是位于四川绵阳的中国工程T理研究院，另一个是位于上海的上海光学与精密机械研究所。目前，中国最大的激光聚变装置“神光II”号(8kJ/1ns/1μm/8束)就位于上海，另外一台小型的激光装置“星光II”(150J/1ns/0.35μm/1束)则位于绵阳。从装置的规模来看，我国要落后世界最高水平20年左右。尽管如此，中国人在激光聚变的很多领域，尤其是技术领域还是做出了很多值得称道的工作：如已故邓锡铭院士在1980年代初期发明的一种光束均匀化技术已经被国际认可，被称为“上海法”或“邓法” 山东大学生长出大口径的非线性光学晶体(KDP)；Nd玻璃的大批量生产，等等这些关键技术的突破，无疑为增强中国的综合国力做出了贡献。中国计划在绵阳建造更大的激光装置“神光III”，尽管它的规模比美国目前在建的NIF(National Igniton Facility)仍然要小许多，但通过“神光III”的建设中国必定会在大口径光学加工、大口径电子光学系统方面的技术力量和技术储T得到极大的加强，而且必然会带动一批相关产业的发展。

近场光钳与单分子操作

近场光学与近场光钳方法是近年国际上近场光学研究领域从理论上提出的新方法。这种方法特别适合于生命科学单分子研究。

传统光钳方法已经用于生命科学的基础研究。1999年《Science》上发表了6篇关于生物单分子研究的文章，显示出传统光钳在生物单分子研究中的最新成果。科学家研究了分子马达的动力学和运动学特性，发现它是以步进方式运动；通过对单分子进行扭转、旋转、拉伸等操作研究其力学特性和生化动力学；拟建立分子动力学和分子力学研究体系，对DNA分子进行力学向分子机械学、分子水平仿生优化设计等一系列研究。

完成上述研究的最基本的手段是光钳。其基本原理是利用了聚焦光场中梯度光力效应及光场超微颗粒相互作用形成"光阱"，"捕获"光场中的微粒进行操作。最近日本科学家采用双光钳实现了DNA分子（2纳米直径）的扭转、打结，这表明分子操作达到相当高的水平，为细胞内蛋白纤维相互作用等分子力学的研究开辟了新的途径。

然而，由于传统光钳是建立在远场衍射受限原理之上的，其所形成的"光阱"受到原理性限制，最小空间尺度约为半波长，即300纳米左右。实际工作时通常在生物样品端部附着微米胶球，光阱"捕获"胶球，通过对胶球的操作实现对纳米尺寸生物分子的操作。

而近场光学从基本原理上突破了衍射极限实现了直接真实空间纳米成像。近场光钳所形成的"光阱"空间尺寸有可能达到纳米量级。近场光钳具备了直接对单分子操作的可能性，其潜在的应用在于操作生物纳米颗粒和生物单分子。同时使分子运动的动力学、生物化学等过程的荧光检测及分子取向等信息的单分子荧光检测和其他光谱检测成为可能。
近场光钳将可能成为最强有力的生物单分子操作工具。

光学光钳技术

激光光钳是一种利用高斯激光光束的梯度压力将微粒移到激光束焦点附近的装置。微粒处于按高斯分布的激光束中时，由于光场强度的空间变化，光束对微粒产生一种梯度压力，驱使其移向光束中心，并稳定在那里。激光束如同一?quot;钳子"抓住微粒，随其移动，可以无损地操纵如细胞、细菌、病毒、小的原生动物等生物粒子，为微生物学家、医学工作者提供新的有力工具。为了减小对微粒的影响，多采用近红外激光。德国生物学家用激光在卵子细胞周围的保护层（蛋白质和碳水化合物）上打孔，利用光钳将精子抓住并送入卵细胞，从可以帮助那些缺少尾巴或无法游动的精子与母卵细胞结合，从而大大提高了体外受精的成功率。

分子马达定向运动机制研究

分子马达是广泛存在于细胞内部的具有小马达功能的酶蛋白生物大分子。生命活动中的许多基本过程都是基于分子马达的运动，如真核细胞内沿细胞骨架系统的物质输运, DNA复制过程中DNA解链过程， 细胞有丝分裂期间染色体的分离过程以及肌肉收缩过程等等。分子马达运动所需能量来自于它所催化的三磷酸腺苷分子(ATP)水解所释放的化学能。它将化学能直接转化为机械能。 对分子马达的研究不仅具有分子生物学上的意义而且有助于未来人们设计化学能直接转化为机械能的装置。

目前实验上利用光钳技术[1]在体外无损的情况下直接观测单个分子马达的运动，得到了许多重要结果[2]，与此同时，理论研究也成为分子生物学和统计物理研究中的热点之一[3]。我们以非平衡态统计物理为基础提出了温度涨落驱动分子马达定向运动模型[4]和具有内部自由度的分子马达模型[5]。下一步的工作将充分考虑分子马达的结构和其他实验结果，建立更符合实际的分子马达模型，从而探索分子马达定向运动的机制。
参考文献：
[1] A. Ashkin, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94(1997)4853.
[2] J. T. Finer, et al. Nature, 368(1994)113; K. Svoboda, et al.. Nature, 365(1993)721.
[3] P. Reimann, et al. Phys. Rev. Lett. 79(1997)10; T. Duke and S. Leibler, Biophys. J. 71(1996)1235.
[4] Yu-Xiao Li, Physica A238(1997)245.
[5] Yu-Xiao Li, Physica A252(1998)382.

作为一种重要的辅助技术，光镊在单分子科学中也占有重要地位。光镊的基本原理是利用光学梯度力形成的光阱来俘获和操纵微观物体。我们知道，光实际上是电磁波，当它产生空间分布不均匀的电场和电势时，电势梯度会在电介质上产生一个作用力。更直观的，我们把光看成光子流，光入射到物体表面，光子的部分动量转移给物体，会形成光压。光场的性质决定了物体的受力，通过适当的设计光场分布，我们可以把物体俘获在一定的位置，这种光场分布称为光阱，如高斯光束本身就是一个二维光阱。当然，通过移动光束我们可以方便地实现迁移或翻转俘获物体。因为这种光学技术在另一个尺度实现了传统机械镊子的功能，所以被称为光镊技术。在单分子实验中通常把生物分子样品联结到介质小球上，通过 用光镊技术俘获和操纵介质小球来达到操纵样品的目的。

到80年代后期，基于光的力学效应和激光冷却技术，发明了光镊技术，人们可以对单个 DNA分子施以皮牛顿(10-l2牛)级的力作用。因此，在近几年，Nature 和Science 刊登出许多论文，报道单个DNA分子在光镊拉力作用下的非线性弹性拉伸应变实验结果。这为研究单个DNA分子构型提供了实验基础，从而逐渐形成一门软物质凝聚态物理中的新学科——单分子生物学或单分子物理学。
生物大分子的自由能是由kBT来表征，这里kB是玻尔兹曼常数，T是温度(一般是室温)。生物大分子的空间构型的尺度是在纳米量级，这就容易理解对生物大分子的作用力必须是皮牛顿级的。单分子生物学与单细胞力学也可以称为皮牛顿力学，这也是从事激光冷却的诺贝尔物理学奖获得者朱棣文被吸引到单分子生物学的实验研究中的原因。

微波激射与激光的诞生

作者 David Lindley, bon 译

注释：值此国际物理年（2005年）之际，《物理评论》杂志编选了反映爱因斯坦成就的相关文章，以纪念爱因斯坦奇迹年（1905年）诞生100周年。

摘要/内容：激 光如今已无处不在 ，从超市收款机、CD播放器到眼科诊所，到处都可以发现它的身影。1954和1955年出版的《物理评论》首次对激光进行了介绍。激光由微波激射器 （maser，也译作：脉塞）发展而来，而微波激射器（maser--microwave amplification by stimulated emission of radiation，受激辐射引起的微波放大的英文首字母缩写）的产生，正是基于爱因斯坦约40年前（1916年）极具先见的理论。然而，从理论到应用 的道路绝非一帆风顺，科学家们融合了诸多学科的研究成果，才将这些理论上看来十分简单的装置真正展现在人们的眼前。

二战后，雷达科学家与物理学家合作，希望寻找到在厘米波段范围内产生电磁辐射的方法。物理学家希望利用该技术来研究分子结构。研究发现，当分子中的原子键在不大相同的构形间发生振动时，原子键通常会吸收或放出厘米或毫米波段的辐射。

但是雷达中的真空管和相关装置无法产生亚厘米波段的辐射。20世纪50年代初，正在纽约哥伦比亚大学工作的查尔斯-汤斯（Charles Townes）突然想到，只要能使大量分子同时发射，分子本身就可以成为绝佳的发射器。汤斯早期对微波波谱的研究帮助了他后来的工作。

早 在1916年，爱因斯坦就从理论上预言了受激辐射的存在??即一定频率的电磁波可以“刺激”受激原子或分子，使之跃迁到低能级并产生更强的电磁 辐射。1947年，哥大的威利斯-兰姆（Willis Lamb）和罗伯特-卢瑟福（Robert Retherford）就利用受激辐射来放大氢分子产生的辐射，以更精确地测量特定分子跃迁的频率。

汤斯对微波技术十分熟悉，很快想到了实现受激辐射的办法。他设想将腔体内大量受激分子以合适的尺寸聚集，一些分子放出的射线反射回来与其它分子相互作用，这样就使得受激辐射不断增强，通过腔体与分子之间形成的反馈机制将信号急剧地放大。

汤 斯和同事在1954年制成了世界上第一台微波激射器（maser）。他们将一束受激的氨分子射入谐振腔内，由于腔内分子辐射产生受激分子，而受 激分子进一步增强辐射，并提供源源不断的受激分子，因而辐射得以自持。第一台微波激射器只产生厘米尺度的辐射，所以功率很小，仅为十毫微瓦左右（10^-8W）。但值得注意的是，在发射谱上其辐射能量呈现为极细锐的谱线，这也就意味着辐射的频率十分单一，仅含一个波长而没有其余波长的干扰（单色性好）。

不 少理论物理学家曾认为汤斯设想的装置根本无法实现。可它的的确确实现了！于是研究者纷纷仿效制造，并开始在原来基础上加以改进。1958年，汤斯和新泽 西州贝尔实验室的阿瑟-肖洛（Arthur Schawlow）曾计划制造一种在红外和可见光区工作的激射器，但直到1960年第一台光激射器才真正问世??这也就是我们所说的激光(laser)。 汤斯也因其在微波激射器和激光领域的贡献分享了1964年诺贝尔物理奖。

由于不同团体对专利权的争夺，激光的发展还遇上过不少官司。麻省理工的伯纳德-伯克曾在哥大见到过第一台微波激射器，他的话颇令人深思：“汤斯无意将它保密，相反，它向未来的研究者敞开了欢迎之门。”


参考资料：
Molecular Microwave Oscillator and New Hyperfine Structure in Microwave Spectrum of NH3
J. P. Gordon, H. J. Zeiger, and C. H. Townes
Phys. Rev. 95, 282
(issue of 1 July 1954)

The Maser--New Type of Microwave Amplifier, Frequency Standard, and Spectrometer
J. P. Gordon, H. J. Zeiger, and C. H. Townes
Phys. Rev. 99, 1264
(issue of 15 August 1955)