1964年,英国著名经济学家西奥多·W·舒尔茨曾经指出:“能源是无可替代的。现代生活完全是架构于能源之上。”
作为经济发展的命脉和人民美好生活的重要保障,能源一直以来都是人类社会发展的核心要素。
而随着世界人口的增长及经济的高速发展,人类对能源的需求日益增加,此时,多渠道的能源来源成为了保障能源安全的基本条件。
作为目前国内外的发电主力,石油、煤炭、天然气等常规的化石能源作为一次性能源已经逐渐变得供不应求,可再生能源和新能源的合理开发及有效利用成为了大势所趋。
发展可再生能源及新能源,不仅能够有效解决和补充化石能源供应不足的问题,还能一定程度改善能源结构,保障能源安全。
在目前已知的所有能源当中,核聚变能源是最为理想的。
化石能源不但面临日渐枯竭的问题,燃烧化石能源还会带来一系列的气候变化、环境恶化、能源安全等问题。
而与此同时,风能、水能、海洋能、地热能等可再生能源的产业发展虽然有很大的进展,但依旧存在成本高、间歇性、不稳定性、储能不足等问题。
相对比之下,核聚变能源极有可能成为人类能源的最终解决方案。
美国能源部部长Jennifer Granholm曾表示,核聚变能源是清洁能源的“圣杯”。
众所周知,核能可以通过三种核反应释放:核衰变、核裂变、核聚变。
核衰变是由原子核自发地发出某种粒子而变成另一种核;核裂变通常由重的铀或钚,分裂成多个质量轻的原子,例如原子弹的爆炸;而核聚变则通常是由质量小的氘或氚,通过一定条件的反应,聚合成为新的质量更重的原子核。
相较于其他两种,核聚变能源具备诸多优点。
一方面,核聚变释放的能量比核裂变释放的能力更大;
再者,核裂变反应的质能转化率仅仅只是核聚变反应的四分之一左右;
同时,核聚变能源的原料可以从海水中提取,取之不尽、用之不竭,而常见的核裂变反应原料铀235在自然界的储量十分稀少;
最为重要的是,在核聚变反应过程中,几乎不会产生任何反射性的污染物,其清洁安全功能是其他能源难以比拟的。
核聚变能源具备能量高、原材料丰富、清洁安全等优点,这样一种令人无比向往的能源,其实自然界本身就存在,我们头顶的太阳正是利用核聚变反应,得以产生无穷无尽的能源。
利用核聚变为人类提供无穷无尽的能源,已经成为了自发明火、电之后,实现新文明飞跃的关键所在。
然而,核聚变需要足够的能量和特殊的环境去克服原子核之间巨大的静电排斥力,从而释放出巨大的能量。
因此,如何为核聚变创造特殊的环境,已经成为了各国科学家们的重点研究领域及学科方向。
以太阳为例,太阳本身巨大的质量,使其内部能够形成高达2000亿个大气压的超高压力,也正是在这种高压条件下,太阳才能够利用其1500万度的高温,将氢原子聚变成为氦原子。
而地球上,我们无法达到这种超高压条件,要想实现将氢原子聚变成为氦原子的过程,则需要想方设法将温度提高到上亿度。
1960年,激光器的诞生为升高温度这一难题提供了问题的解决方向。自激光器问世以后,美国及前苏联等多个西方发达国家就开始进行激光聚变研究。前苏联科学家最早提出利用激光加热核聚变反应的材料,该原理类似于利用阳光聚焦后点燃木屑。
不过,单个激光器的输出能量自然无法满足要求,将温度升高到上亿度,必须多个激光器的能量同时聚焦到同一个点,而这就涉及到如何异常精确地控制每台激光器的对准方向和输出能量。
除此之外,研究人员们还需要解决能够盛放多个激光器聚焦后所产生的巨大能量的“容器”。比较成熟的技术方案有两种,一种是“磁约束聚变”,一种则是“惯性约束聚变”。
磁约束聚变主要以托克马克装置为主,利用电磁约束,剧烈压缩稀薄氘氚气体放电形成的等离子体,从而使其发生聚变反应。
惯性约束聚变则是利用内爆所产生的向心运动物质的惯性,来约束高温热核燃料等离子体,主要的驱动装置有高功率激光装置、Z箍缩装置和重离子束装置等。
目前,国际上最为主流的技术方案是采用激光驱动惯性约束聚变。
通过直接利用激光或激光产生的X射线作为驱动源,均匀地烧蚀装填了DT燃料的微型球状靶丸外壳表面,使其形成向外膨胀的高温等压等离子体,再利用反冲压力,将靶的外壳极快地向心运动,使DT燃料区域形成高温高密度热斑,从而达到点火条件。
事实上,中国很早就开始进行激光驱动惯性约束聚变研究。
1964年王淦昌院士便提出利用激光打靶产生中子的实验想法。
1973年,在邓锡铭院士领导下,中国科学院上海光学精密机械研究所成功利用激光加热氘冰靶,在实验室获得氘氘聚变中子。
20世纪70年代中期,中国工程物理研究院开始从理论、实验、诊断、制靶和驱动器五个方面,开展激光聚变研究工作。
经过几十年的不断探索,我国已经逐渐形成一定规模的激光聚变研究队伍,在驱动器研制方面也得到了长足的发展。
2000年,位于上海的神光Ⅱ激光装置正式投入使用,中国开始系统地进行三倍频条件下激光聚变主要物理过程的研究。
神光Ⅱ的研制经历了十分艰苦的过程,科研人员们不断开拓创新,全面达到神光Ⅱ装置最终要求的技术指标。
自建成投入运行以来,神光Ⅱ装置已经稳定运行了许多年,为各类实验提供2000次以上的高性能约束聚变作出了巨大贡献,使我国的激光聚变跨入了一个新台阶。经过多年的技术攻克和创新集成,在全球同类装置中,神光Ⅱ激光装置总体性能跻身前五名。
目前,神光Ⅱ装置已经不仅仅用于惯性约束聚变研究,还投入到诸多其他领域的实验工作中。
随着激光技术的发展,各军事强国已经开始将激光技术运用于激光武器上,中国也不例外。
相较于传统武器,激光武器不仅具备极高的攻击性和强大的持续战斗力,还具备命中精度极高、多目标打击能力突出等优点,在作战使用时,还兼备费用低、无污染、不受电磁干扰、强度可控等特点。
在动力上,核聚变反应能为作战机、作战船舰提供更强的动力,从而克服以往核裂变反应堆存在的劣势,完全满足作战所需要的动力需求,极大地提高军队作战能力。
同时,核聚变还能开发清洁型核武器,免去小型原子弹,采用激光点火直接促成氢弹内部的核聚变过程,有专家认为,这种氢弹或许将不受有关国际条约的限制,有望作为“常规武器”投入使用。
此外,核聚变反应还能作为新型运载火箭的燃料,其反应过程中快速释放的巨大能量不仅能够极大地提升运载火箭的发射重量,还能加速火箭速度,使其达到第一宇宙速度的4500多倍。
随着核聚变技术的不断推进,作为新一轮军工科技竞争的制高点,激光武器或许将淘汰现役的传统武器系统,成为未来国际战场上的重要筹码。在这种局势下,中国更加不能掉以轻心,必须不断开拓进取,才能充分保障中国的本土安全。
目前,在我国国宝级院士、激光技术专家林尊琪老先生的带领下,神光Ⅱ工程已经进行了数十种极度复杂的打靶试验,其打靶质量、难度系数、稳定性均打破了中国激光史的最高纪录。
2014年11月5日,中国真正首次公开激光武器。
据官方媒体新华社报道,中国研制出一款名为“低空卫士”的激光武器,功率高达10千瓦,能在实景演示测试中,一举击落2000米开外,高度500米的无人机共计三十架,有效防护范围达到12平方千米,击落率百分之百。
2017年,在第13届阿布扎比国际防务展上,中国低空激光防空武器系统“沉默猎手”成为最吸引眼球的先进武器装备之一,该系统性能先进,能警戒低空无人机的袭扰,已应用于2016年杭州G20峰会。
据悉,神光Ⅱ能够在1000万亿分之36秒的瞬间,释放出功率比全球电量总和还强大的冲击波,杀伤力极高,几乎可以秒杀一切物体。
而得益于神光Ⅱ工程的不断完善,近年来,中国又陆续研发了不同的新型激光武器,在功率、体积、结构和重量上都进行一定程度的改进。
目前,中国激光武器不仅克服了激光束的聚焦问题,在跟踪及控制精度方面也已经达到较高水平,同时,出光时间也已经满足了较高要求,能更远更稳定地照射并锁定目标。
从试验表现及技术上分析,外媒普遍认为中国激光武器已达到世界领先水平,能完全与美国同类战术激光武器媲美,适应战场上快速机动需要。
此外,有媒体表示,中国研制的超距攻击性激光雷达也具备十分强大的威力,不但拥有雷达“万里眼”的功能,还能够在侦测目标后立即将目标摧毁,是一种新型的主动性雷达。
对此,西方防务专家认为,中国在核聚变的研究上,与美国相比起步点相差并不大,因此,有理由认为目前中国激光武器的研究处于世界领先地位。
如今,神光Ⅱ系统依旧保持高效运转,并一次次刷新我国在高功率激光研究领域的纪录。
而中国神光Ⅱ工程一旦全面完成,将为中国下一步研发高能武器、定向武器提供强而有力的保障。
值得一提的是,当下武器虽然不会全面使用,但已经成为强国之间军事平衡的一种手段,拥有此类先进的高能武器、定向武器,能使中国军队的实力得到大幅度的提升,从而获得更大的主动权,避免面临被动困难的局面。