互动科普

激光分两次进行照射能够提高效率

日本大阪大学激光所正在试图以不同于NIF的方法来实现激光核聚变反应堆，那就是山中龙彦博士于1983年提出的快点火的方法。激光所的前身叫激光核聚变研究所，山中龙彦博士曾是那里的所长。

所谓快点火，就是先用爆聚用的激光来照射，在燃料爆聚后，再用点火用的激光来照射。将激光分两次进行照射，是为了更有效率地点火。与NIF的方法相比，这一方法可以使所需的燃料靶丸更小，而且可以减少1/10用于点火的能量投入。

若想实现快点火，必须在爆聚后的燃料飞散之前的100亿分之1秒的间隔里，用1拍瓦以上的超高强度激光进行照射（1拍为1000万亿，瓦是功率单位，1瓦表示1焦/秒）。对于这样的超高强度激光来说，必须将生成的激光进行“压缩”，使其能量集中于1万亿分之1秒内才能实现。

燃料靶丸在被爆聚用的激光照射后，其外侧会蒸发变为等离子体，中心爆聚的部分被“等离子体云”所覆盖，所以当需要用点火的激光来照射时，激光的能量也就很难传到中心部分。

不过研究人员在燃料靶丸上安装了一种金属制的圆锥形零件。这样的话，在爆聚时，等离子体不会进入圆锥形零件中。因此将点火用的激光照射到圆锥形零件上，就可以避开“等离子体云”而将中心加热，而圆锥形零件在点火后便会蒸发。

现在，激光所正在推进以实现快点火为目的的FIREX计划，建造点火用的激光LFEX，并已于2009年开始进行实验。LFEX是将10千焦的激光能量集中于1万亿分之1秒至1000亿分之1秒进行照射的激光器（最大功率10拍瓦），可以说得上是世界上最高性能的激光器，建设费用约合5亿元人民币。激光所通过使用LFEX，正在以达成核聚变点火所必要的5000万摄氏度为目标而进行研究。　

图. 分两次进行激光照射，高效的快点火法

图为日本大阪大学激光能量学研究所正在研究的以快点火法实现激光核聚变的概念图。①将金属制的圆锥形零件插入燃料靶丸中。②用爆聚用的激光从四面八方照射燃料丸。③充分爆聚使燃料靶丸的中心密度变大后，通过圆锥形零件用点火用的激光进行照射。零件的前端被照射后，会生成高速运动的电子，电子流将燃料的中心加热从而点火。

今后的课题是实现反复的激光照射

即便NIF成功实现点火，激光所对快点火的实证成功，距离核聚变反应堆的实用化也仍有很长的路要走。其中最大的问题是，如何实现可以进行每秒10次左右照射的高重复率激光器。

对于NIF与激光所进行的大型激光核聚变试验来说，一天仅能进行几次，之间必须间隔数小时。这是因为每次激光照射都会使装置产生大量的热，如果重复进行照射，装置将难以进行精准的操作。

要想产生激光，必须用到名为激光工作物质的介质，并通过闪光等方法给予其能量。一直以来的大型实验中，都用名为闪光灯的装置来放出闪光，从而给予激光工作物质以能量。但是闪光灯也会放出激光工作物质不能吸收的各类颜色（波长）的光，并转化为没有任何用处的热能。这就使得重复的激光照射难以实现，而且从电能转化为激光能量的效率也很低。

将来的核聚变反应堆有望使用半导体激光二极管来代替闪光灯。激光二极管能够精确地生成激光工作物质可吸收的色光，效率高而且发热少。这样的装置被称为“半导体泵浦固体激光器”。

用半导体泵浦固体激光器替换原先的设计，再加上把冷却方法从原来的空气冷却换成水冷却，研究一下水的流动方法，就可以高效率地进行冷却。另外，一直以来的激光工作物质都用玻璃制成，如果替换为导热性更好的新材料透明陶瓷，并用液氮（-196℃）加以冷却，其冷却效率又会更上一层楼。通过上述这些方法，有望实现高重复频率激光器。

连续投入燃料，反复进行激光照射

在大型的激光核聚变实验中，是先将燃料小球固定住，再用激光进行照射的。而在实际的核聚变反应堆中，燃料丸是连续投入堆内的，必须在其浮于空中时进行高精度的激光照射。这一点的实现也是今后的一大重要课题。日本光产业创成大学院大学特聘教授北川米喜与日本滨松光子公司的研究小组正致力于推动燃料靶丸连续投入与高重复率激光器的研究，他们觉得这些课题迫切需要完成。

该小组正在进行的实验是将直径为1毫米的燃料靶丸（聚苯乙烯中的氢都用氘来替换）以每秒1个的频率进行自由落体投放，连续投放1000个。落下的燃料靶丸被传感器捕捉到后，于下落18厘米处被半导体泵浦固体激光器（约1焦）发出的激光从两个方向照射，成功实现了核聚变反应的连续进行（2013年9月）。那时激光的命中精度约为70%，核聚变反应中生成的中子中约有3%被捕捉到。

对于实用阶段的核聚变反应堆来说，兆焦级（1兆为100万）的激光能量是必要的，而现阶段，具有其100万分之1左右能量的激光实验已经完成，所以今后的实验进展还是值得期待的。滨松光子公司已经完成了可以生成100焦能量、每秒可以进行10次照射的半导体泵浦固体激光器，预定于2015年秋开始下一步的实验。此外，他们也打算今后进一步增强激光，进行1千焦激光的照射实验。

着眼于点火后的研究是必要的

距离激光核聚变的实用化，我们仍有重重挑战要去克服，其巨大的可能性也仍待我们去探索。

目前对于激光核聚变的研究，先将能量的效率问题放在了一边，而是主要朝核聚变点火这一大目标前进。从前所未见的巨大实验装置NIF实现点火，到高性能的半导体泵浦固体激光器的研制，我们有必要着眼于实际发电这一根本目的，加速技术的研发。

（本文发表于《科学世界》2015年第11期）