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原子能科学研究院百太瓦x射线激光器 在国际上首次基于掺镱晶体

2023-02-20 14:19:12  来源:网易网    

  原子能科学研究院发布了一条百太瓦x射线激光器的成果新闻:

  原子能院激光核物理研究团队掌握了基于强激光加速电子并利用电子震荡产生硬X射线的关键技术,在国际上首次基于掺镱晶体,利用正色散锁模,产生了高稳定高功率超短激光。该研究成果对于核爆超快过程诊断、核材料探测、核废料处理等方面具有重大的应用价值。

  其实,百太瓦级X射线激光器最有前途的应用是引发核聚变。

  之前在给大家讲氢弹的结构的文章(《原理:给大家讲一下氢弹》)中就给大家提到了,对于氢弹内部次级聚变装药的部分是需要X射线进行赋能的。

  以X射线传导到聚变材料中的能量会在核板机(原子弹)爆炸后几个纳秒内就进入聚变材料腔体中,腔体中的聚变材料瞬间进入高能等离子状态。

  但氢弹难就难在了聚变材料进入高能状态后,结构会在几微秒后就被原子弹爆炸所产生的冲击波(260-400km/s)所破坏掉。以目前人类科技还无法制造出来可以在近距离上硬扛原子弹的结构,所谓的“半米之内原子弹都炸不烂”的东西是不存在的。

  这就造成了我们在制造核武器的时候有当量的上限也有当量的下限。氢弹的制造也就不是随心所欲的了,这一切就怨氢弹的底火(原子弹)太给力。

  世界上研制氢弹的国家都在想方设法的给氢弹改“底火”。一直以来都希望制造出不依靠原子弹的爆炸而直接引爆的氢弹。

  而利用高强度的的x射线直接照射核聚变材料所引发的核聚变反应也就成了研究的方向之一。

  中、美、俄、法、德、意几个国家或者出于军事目的或者出于能源要求都在做这方面的研究。

  其原理就是跳过原子弹爆炸而放出高强度的x射线这一步,直接利用其他方式产生的x射线为聚变材料赋能。

  其中就包括了美国的国家点火装置。

  他们的设想是利用192束高能激光同时轰击一个氘氚小球,这枚2毫米直径的小球会被放置于一个镀金的环空器内部

然后将环空器放置于激光室内靶点上:

  这个激光靶室直径9米多一些(30英尺)。

  仅仅是两个半足球场面的实验装置的一小部分。

  美国人这么破费周折的使用激光轰击一个2毫米的小球体,终于在去年年底实现了整个装置的正输出,也就是输入的能量大小于2毫米小球“爆炸”所释放出的能量。

  去年12月,该实验从 2.05 兆焦耳的激光输入中产生 3.15 兆焦耳的能量。也就是2毫米的小球爆发出来大约700克TNT炸药爆炸的能量。

  相当于我军常用的200克TNT制式炸药块三块半。看起来并不是很大的能量,但是,要知道1公斤这样的2毫米小球大约可以释放出8.9万吨TNT当量的能量,就可以相当于4枚胖子核弹了,还是挺让人瞠目结舌的吧?

  但美国这条路最终是走不通的。原因在于他们是目前是使用红外线激光通过表面辐射压来赋能。而国家点火装置最初也在计划使用x射线激光器为材料赋能。

  难就难在了经过计算,使用x射线激光所需要的能量级别在500太瓦。美国造不出这种级别的x射线激光器。因此只能颇费周章的建立了巨大的实验装置。

  刚刚提到的两个半足球场的面积,实际上最占空间的就是巨大的激光管道。

  他们要保证192根激光通路在照射靶标的时候时间间隔误差小于6.7个皮秒(万亿分之一秒),这在工程上就需要惊人的付出了。

  而我们的百太瓦级x射线激光,则可以大幅度的缩减激光通路的复杂度,两个半足球场的空间可以缩减为一个实验室的大小。

  这就是百太瓦级X射线激光所存在的意义。

  再小一些就完全可以装在飞机或者导弹上了。

  那么激光点火的氢弹有什么好处呢?

  首先是清洁,这是一种很干净的核弹,由于没有裂变材料的介入,所产生的辐射只是核聚变产生的阿尔法粒子和伽马射线与中子射流,并不会有原子弹爆炸所产生的大量核污染。在短期内由于中子射流所产生的感生辐射物也会更早的消退。

  其次,是聚变材料相对于裂变材料来说更廉价更容易获得,每吨海水中就有30克的氘元素。取得这些氘要比取得裂变材料更容易。也更利于大量生产。

  再次,由于没有原子弹爆炸冲击波的干扰,x射线激光氢弹的结构可以更简化,更加轻便简单的氢弹就有可能在x射线激光加持下得以设计和制造。

  再再次,还是由于结构的简化,氢弹的当量也更具灵活性,制造1亿吨当量甚至5亿吨当量的氢弹将在工程上更具可能性。同时制造小当量氢弹也可以找到新的突破口。

  当然了,我们的x射线激光的路还很长。新的核板机也意味着新型的核聚变材料的需求。通常传统干式氢弹往往以氘化锂作为主要的核聚变装药。但新型的氢弹可能会利用更新的氘代甲苯作为新一代装药。

  目前,氘代甲苯主要作为试剂使用,作为内标物或者示踪剂。但这种物质单位氘含量要远高于氘化锂。也是一种相当有潜力的核聚变材料。同时我们的纳米聚合物工艺已经可以制造纳米级别的氘代甲苯聚合物了。由液体的氘代甲苯生成氘代甲苯纳米丝,这就给聚合装药的结构设计赋予了极大的灵活性。

  这次我们的百太瓦x射线激光器也是以氘代甲苯纳米丝为靶子完成的实验。所以说,我们已经跨过了x射线激光核聚变的理论门槛,剩下的事情其实也就是工程学上的事情了。x射线激光核聚变在未来几年无论是在民用还是军用上都将给我们一份相当让人震撼的答卷。

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