中国成功研聚龙一号装置 对核武器研究意义极大

2014-10-17 10:27:00 中国科学报 分享
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聚龙一号装置放电瞬间

  ■姜洋 邹文康

   2013年10月10日上午,在四川绵阳中国工程物理研究院(以下简称中物院)流体物理研究所的聚龙一号装置实验主控制厅中,墙上6米长、2米高的大屏幕分区域显示着监控画面和复杂的技术参数。操作台前,一排身穿白褂的科研人员,熟练而准确地操作着电脑,报送着各系统的状态。成果鉴定委员会的10位院士、5位专家目光如炬,紧盯屏幕上每一次数字的跳动。

   “触发!”实验负责人丰树平的一声令下,伴随着低沉的闷响和大地的震动,在与控制厅相隔不远的试验大厅中,数十道紫色的电蛇猛然划破空间,自曲折蜿蜒中迸射出刺目的炽烈光芒——24路强大的电能分别沿12个方向,从五千立方米的空间压缩汇聚于仅数个立方厘米的中心靶区,将100秒内存储的数百万焦耳电能在亿分之一秒内辐射出来,产生能量数十万焦耳、功率数十万亿瓦(瞬时功率相当于数倍的全球电网功率)的软X射线!测试厅的记录仪器准确记录下亿分之一秒内的相关技术参数和瞬态图像,呈现于示波器和计算机的屏幕上。

   这就是中物院流体物理研究所自主研发的、达世界一流水平的超高功率脉冲强流加速器——聚龙一号(英文简称PTS)装置通过国家级鉴定的场景。成果鉴定委员会认为,聚龙一号建设项目提出了有特色的超高功率多路汇流装置总体设计方案,突破了多路太瓦量级电脉冲的纳秒级精确时间控制、超高功率脉冲的产生和传输与汇聚等关键技术,自主研制成功国内首台多路并联超高功率脉冲装置,在负载上实现了峰值近千万安培、前沿约千万分之一秒的电流输出,技术指标达到国际同类装置先进水平!

   这一台在我国核武器研究进程中具有标志性意义的科学实验装置的建成,使我国成为世界上极少数独立掌握数十万亿瓦级超高功率脉冲加速器设计和建造技术的国家,是我国高功率脉冲技术发展的又一个里程碑!

  决策

  直面挑战 迎难而上

   中物院创建于1958年,是以发展国防尖端科学技术为主的理论、实验、设计、生产的综合体,是我国唯一从事核武器研制生产的综合性研究院。流体物理研究所是中物院下属的第一研究所,主要从事核武器研制、高新技术武器研制、军民两用技术开发及成果转化等工作。

   伴随着1996年全面禁止核武器试验条约的签署,如何在实验室条件下,创造出接近核武器爆炸产生的极端高温、高压、高密度、强辐射条件,成为新时期核武器研究能否有效开展的关键。

   脉冲功率技术是以电能为基础,通过对能量在时间和空间上进行压缩,并在特定负载上快速释放,获得极高的功率输出的一门实验科学,是在实验室条件下产生极端高温、高压、高密度、强辐射条件的有效手段。我国脉冲功率技术研究的先驱、老一辈科学家王淦昌院士曾经指出:“高功率脉冲技术是当代高科技的主要基础学科之一。”采用超高功率脉冲装置驱动柱形金属丝阵负载,使其气化并向轴心箍缩(即Z箍缩),能产生极强的X射线辐射,可以用来研究核武器中的辐射输运和聚变点火等问题,同时在惯性约束聚变、辐射效应、天体物理等前沿科学研究领域也具有非常重要的价值。

   近几十年来,由于军事应用需求的强烈牵引,高功率脉冲技术成为主要的有核国家研究的焦点,美国投入了大量人力物力,先后建立了一系列超大脉冲功率装置,典型的Z箍缩研究装置有土星装置和ZR装置,俄罗斯也先后建成S-300和Angara-5-1装置。与之相比,我国起步较晚,基础薄弱。

   为适应新时期核武器研究的需要,必须拥有具备足够驱动能力的综合实验平台,以此为基础加强精密物理实验设计、高精度多物理量诊断测试、数值模拟及理论分析等方面的能力。经过精心论证,上世纪末,中物院启动了大型多路超高功率脉冲装置的相关研究工作,并对已有平台进行技术改造,开始了原理探索及关键技术研究。在此基础上,本世纪初,中物院向国家提出了适合我国国情的研究发展计划建议,其中最关键的第一步,就是研制Z箍缩初级试验平台——聚龙一号并开展相应的物理实验研究。

   2004年,国家批复中物院正式启动相关工作,装置的技术指标确定为输出电流八百万至一千万安培,电流脉冲上升时间小于千万分之一秒,功率超过20万亿瓦。这样的装置系统极为复杂,技术难度和风险非常高,国内的技术基础十分薄弱,材料、设计、加工等各方面都面临极大的挑战。

   国防科学技术研究的历史使命,使得中物院人毅然接受挑战,迎难而上、昂首前行。自2001年起,任务承担单位流体物理研究所开展了周密的立项论证工作,丁伯南、彭先觉等院领导对此给予了高度关注,多次亲临一线,了解项目的进展和亟待解决的问题。院内外老专家组成了顶尖专家团队,就装置技术路线和关键部件研制进行激烈讨论,提出了很多有益的思路和建议。流体物理研究所集中科研精英成立论证报告编写组和预研攻关小组,从国外有限公开的资料中收集、提炼相关信息,结合中物院的具体要求,对技术路线和关键技术进行充分的调研和分析论证,多次召开大范围深层次专题研讨会,技术资料、设想方案、加工图纸堆满了研究人员的文件柜。预研小组成员随后开展了场畸变开关、激光触发多级开关、马克斯发生器模块研制等大量预研工作,开展了上百次的论证研究,探索突破关键技术的途径。通过细致地进行物理分析、精确地验证计算参数、周密地考虑模型设计,取得了激光同步触发系统、场畸变气体开关、磁绝缘传输线,以及测试诊断系统研制的重大突破,为装置立项打下坚实的基础。

   在聚龙一号装置的总体设计方案中,同步触发方案是其“灵魂”之所在。这是由于电流巨大,聚龙一号装置需由24路超高功率脉冲功率装置并联而成,每一路能量的释放由一个激光触发开关控制。为保证开关动作的一致性,激光实际出光时间与设定值的误差不能超过两亿分之一秒。如果将从电容器充电开始到最后能量释放完成的时间(约100秒)放大展宽至一千年,那么上述时间误差仅相当于1.5秒,其技术难度可想而知。为了实现这一技术指标,必须设计出完善的激光触发开关同步触发方案。

   当时,美国Z装置是采用一台能量很大的激光器,分为36路激光去触发36个开关。如果直接借鉴美国的经验,技术风险会降低很多,但是该方案对激光器能量要求高、光路极其复杂、稳定性不高。

   2005年,项目负责人邓建军研究员、脉冲功率研究室主任谢卫平研究员带领团队结合装置研制特点,原创性地提出了采用12台激光器、每台激光器触发两个开关的技术路线,这样既能保证开关触发的同步性,触发光路也极为简化,原理上具有非常优越的性能;同时具备维护和运行效率高的特点。

   由于国际上毫无先例,当时这方案甫一提出,受到了国内部分相关专家的质疑。在激光触发方案专题论证咨询会上,国内从事激光器研究的权威专家认为,国内尚无满足要求的激光器,而且按照这种激光器的常规的控制方式和水平,出光时间要达到所需的精度几乎是不现实的。

   面对诸多质疑,邓建军率领项目组在开展了大量关键技术攻关的基础上,进一步对方案和验证性样机相关实验数据进行了充分的分析和细致论证,证实了该方案可行性,并最终取得了成功。在随后2006年的首届亚欧脉冲功率会议上,聚龙一号项目团队交流了激光开关的技术方案,引起了美方的高度重视。2007年,美国圣地亚实验室Z装置升级完成,其激光开关的触发方案也改为由36台小激光器触发,再次证明了这一方案的先进性。

   总体技术方案既定,标志着聚龙一号装置研制的大幕正式拉开。这将是漫长的远征,在这条路上将会有激流险滩般的高歌猛进,也会有深山峡谷般的跌宕起伏。然众志成城何惧艰难险阻,且看沧海横流英雄聚、云起龙骧写豪情!流体物理研究所科研人员在每一个岗位上都焕发出最大的创造活力,汇聚成为无坚不摧的洪流!

责编:刘昆
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