华欣生 (中国工程物理研究院,四川绵阳　621900)

“21世纪的物理学”[ 1 ]一文中讲到, 20世纪的物理学的发展,原子能量的释放可能是最要
命的遗产。“在20世纪三四十年代,核物理学取得惊人进展, 1938年发现了重核,可以经过裂变而释放出大量能量。这个科学发现对人类影响之重大,是前所未有的,与此同时,也了解对小原子核的聚变,是太阳和恒星能量的来源, ⋯⋯”。1938年获诺贝尔物理学奖的E. 费米在美国建造了世界上第一个石墨反应堆,成功控制核能,并在当年醒悟到“核武器”,“蘑菇云”是怎么回事时,他讲道:“首先这是非常漂亮的物理学”。科技进步的结果是把‘双刃剑’,既给人类带来希望和幸福,也会给人类带来灾难。我们相信人类终将以自己的聪明才智和道德规范,以不断创新的物理科学成就,取利避害,造福自身。
伴随20世纪核武器的研究发展,出现了一门新的学科,即高能密度物理学,其定义为研究能量密度超过1011 J /m3或等价于压力大于百万巴(Mbar)状态下,物质的行为特征和物理规律。它跨越宽广的物理学范围,包括等离子体物理、材料科学与凝聚态物理、核物理、原子分子物理、流体动力学与磁流体力学、强辐射与物质相互作用及天体物理学等。等离子体物理和无体物理学界一致认为,利用已经掌握的实验装置和技术手段,现在正是为发展高能密度等离子体物理奠定基础的黄金时机,期待这一领域在新世纪里有辉煌的创新突破代写论文。
物质科学的核心内容是物理学。物理学所研究的是物质的基本结构和物质运动的基本规律。核物理科学家在上世纪探寻原子弹和氢弹爆炸时,发现和派生了高能密度物理这种物理现象的神奇威力。当物质材料在特定的实验环境和条件下,如超常的温度、压力、密度、场强、高电离度等极端条件下,将呈现许多科学的突破和技术创新。就会出现许多大自然中不常见的奇异现象。除了核爆炸环境能见到超高密度物理现象外,还有其他场合如天体物理和激光和脉冲高功率装置等实验室特定环境(表1) 。图1给出了强磁场条件下的物理现象。
表1　高能密度物理举例
太阳木星激光脉冲功率核爆炸高能****中子和核碰撞
T /eV 103 1 > 100 > 100 > 103 1
p /bar 109 106 108 ≥107 ≥108 105
ρ/g. cm- 3 10 1 100 > 10 ≥100 1
会产生超高密度物
理现象
　　综上可见,高能密度物理不同于一般的等离子体物理,而是在外加特殊条件下(如强磁场、强激光束、粒子束、高能****等)研究高能、高温、高密度奇异物理现象。为使微型DT气体压缩至高于固体密度材料NDT(～1023个/ cm3 ) ,并引起聚变点火和燃烧,要求激光束(或粒子束)功率P≥1012　W,我们要创造条件,有能力将能量传递至靶上的沉积功率水平达到1016W /g。图2给出了高能密度物理和天体物理的温度密度范围,

图中全部阴影区为相应高能密度区(HED)区,中心矩形区为相应的Omega, Z,N IF高能密度范围, 1Mbar和1Gbar等压线)等压线,磁压缩聚变实验温度虽高,但密度很低。图中还显示了有60个和1个太阳质量星体; 1个太阳质量星即白天太阳, 60个太阳质量星,既烧氦(中心区)又烧氢(在壳层) 。

2　地下核试验———得天独厚的高能密度物理研究实验室
提起地下核试验,人们往往联想到它的军事应用和核武器研究的试验目的。但对地下核试验可以和平利用,以及它作为高能密度物理研究之得天独厚的科学氛围却知之甚少,或者说宣讲不够。美俄经过上千次的核试验和地下核试验,掌握了丰富的核武器物理知识。同时也进行了许多和平利用目的的地下核试验。例如,为此目的美国有一个“犁头”计划,至少进行了30多次试验。而俄罗斯却用约占总数30%的核试验实施科学试验和和平利用计划[ 5 - 8 ] ,一直到1988年才暂时终止了和平利用核爆炸。它在115个施工场地进行了124次和平利用核爆,爆炸了128个用于不同国民经济目的的核装置。为了减少核污染,俄罗斯还专门设计了用于此类目的的核装置。我们已经明确了和平利用核爆炸要具备的两个技术基础:一是充分利用地下核爆之无与伦比的巨大的力学效应。当利用一般化爆等技术手段达不到目的时,考虑使用地下核爆,会带来巨大的经济效应和社会效益;二是尽管是地下核爆,根据现在的技术能力和安全保障措施,在一定的国际条约和国家监督机构严格监控下,完全有能力确保技术和辐射环境的安全。综合分析美苏和平利用地下核试验的目的主要有[ 3 - 5 ] :
(1)挖掘土方工程建造水库和运河,建造拦河提坝。1965年1月15日,苏联用140kT核装置爆炸成型建成“恰岗”人工湖(图3) ,此为用于和平目的地下核爆炸抛射建成。库容量1700万立方米。原苏联原子能部部长E. 斯拉夫斯基第一个跳入湖内游泳,以示环境安全。
(2)增产石油、天然气、破碎矿石等。在选定的地质等工业性试验条件下,大概能取得≥10倍以上的效费比,经济可行性和技术可行性已获得证实;
(3)用于掩埋有毒废物,消灭难以用人力解决的井喷火灾事故,预防煤气事故,用于应付突发自然灾害
和保护环境排放废料;
(4)地质资源普查,用于对深层地震探查国家丰富的地矿资源。在这方面俄罗斯科学家积累了丰富的实践经验,相比于现在沿用的各种各样用人力钻探和卫星遥感等技术,实践证明是唯一效费比高、快速的、能综合全面提供探查信息的技术手段;
(5)铸剑为犁,可用它来消除强烈地震灾害,当预报得知该地区有强烈地震预兆时,可用它来释放地壳能量,预防和消除强烈地震的发生;
(6)中俄科学家论证[ 6 ] ,地下核爆可作为有很好效费比,地下发电输出电能的地下爆炸核电站,在地下爆室里,每天爆炸约kT级、低污染、干净的DD (氘氘)热核装置,热能转入电能,输送年发电量可达100万千瓦电能,以求取得聚变能源利用。1977年原苏联科学家A. A. 萨哈洛夫院士曾发表文章,已提出过类似建议。

(7)地下核爆炸可以用于综合性科学研究。把它当作稀有的高能中子源、强辐射源,例如X射线源,进行在常规条件下无法进行的科学研究。获取超重超钚锕系元素;开展超常条件下材料科学基础研究,生产人造金刚石及其它超硬材料;模拟宇宙空间环境进行天体物理和环境辐射效应研究⋯⋯。

一个当量25kT的采用氘材料的氢弹爆炸,将释放超过3 ×1025中子,进行材料物质的性能状态研究,电子温度可达上亿度,等离子体密度可高达1024 ～1026个/ cm3 [ 7 ] 。美俄科学家在20世纪80年代利用地下核试验,开展受控热核聚变、惯性约束聚变研究。1988年夏天在意大利召开的国际第8届核战争讨论会上,美国利弗莫尔实验室E. Storm宣布利用地下核试验条件,验证了产生热核聚变增益输出,当输入辐射驱动能量10MJ,释放获得约1000MJ聚变能,压缩DT (氘氚)气体密度至200g/ cm3 ,温度达几keV,DT被点燃,烧掉总量约30%的DT燃料,等效于产生0. 25吨TNT****当量。密度与半径乘积约0. 3。实验演示了高增益DT聚变能的获得。俄科学家认为,他们早已做了大量类似地下核试验, 20世纪80年代并未解密公布。这再次说明地下核试验作为一个特别重要的科研手段,有它的特殊地位和重要性。为我们在21世纪的聚变能源、天体物理、高能密度和磁场物理研究开辟了广阔新天地。某些超级核大国只让自己干,不许别人研究,“只许州官放火,不让百姓点灯”。他们坚持次临界实验,又随准备恢复核试验,遭到非议,也许无法长久坚持。应当因势利导,利用人类聪明才智造福自身文明,在国际条约监督下,深入开展和平利用核能,研究成果可享。
3高能密度物理实验室研究环境[ 7 - 9 ]
美俄为代表的有核国家,都有自己的高能密度物理研究国家规划。近半个世纪以来,人们梦寐以求寻找在实验室条件下,实现受控热核聚变。在和平与发展成为时代主题的今天,为适应时代要求和潮流,应该走下“神坛”,加大力度开发研究和平利用聚变能源(磁约束、激光束或粒子束惯性约束聚变等) 。让高能密度物理和核科学技术研究更好地造福人类。自1996年9月全面禁核试条约CTBT签订后,有核国家通过制订高能密度物理研究计划,吸引顶尖科学家转向在实验室条件下开展高能密度物理研究[ 8 - 10 ] 。
文献[ 9～11 ]指出,窥视当前美国核武库维护计划,制订和推进高能密度物理研究计划至关重要。无论是现在,还是将来,都需要三位一体的重要的国家级装置以示支撑,例如国家点火装置(N IF) 、Z - 脉冲功率装置、以及罗切斯特大学Omega等装置。实际上,美国现阶段已有或在建的多达8大装置。除上述外,还有桑迪亚实验室脉冲功率Saturn装置;海军实验室Nike56束KrF激光装置;洛斯阿拉莫斯实验室的Trident高能激光装置,以及Atlas电容器组合装置和利弗莫尔实验室Janus超短脉冲激光装置。图4为利弗莫尔实验室正在建造的N IF国家点火装置,预期2010年建成。
从文献可以看出,实现实验室的热核点火是科学界和高能密度物理研究计划的重要奋斗目标;改造提高Z - 脉冲功率装置,使其对加强和实施高能密度物理计划做出更大贡献;通过高能密度物理研究计划可吸纳和培养一批顶尖人才,创新和推进国家高科技的全球领先水平。
 美国国家点火装置(N IF)受到世人注目(图4) ,目前该项目已达到约40多亿美元的投资规模,建造投资很高,远远超出原计划,目标是2010年在实验室实现聚变材料点火。N IF是目前世界上最大和最复杂的
激光光学系统,用于在实验室条件下实现历史上的第一次聚变点火。发生聚变反应时,温度可达到1亿度,压力超过1000亿个大气压192束矩形激光束将在直径10m的靶室中实现会聚,其中靶室内含有直径约为0. 44cm的氢同位素靶丸。在建的N IF装置遇到了相当大的技术风险,能否在2008～2010年内如期达标,正拭目以待。美国科研经费充裕,国力雄厚,N IF不逊其为重要的国家科学工程。N IF装置脉冲能量为0. 7～118MJ (兆焦) ;峰值功率500TW (太瓦) 。
　　桑迪亚实验室的Z - 快箍缩脉冲功率装置,自上世纪90年代中期改造以后,取得了举世瞩目的科技进步,被称为“穷人的”惯性约束聚变研究,将在高能密度物理研究中扮演重要角色。前阶段Z - 装置上的物理实验成果验证了N IF高增益靶设计,获得高产额X光源(已获X光总能量119MJ /280TW功率、驱动武器物理实验空腔温度约280eV) ,以及演示了等熵物理压缩技术等,均取得了突破性进展。目前桑迪亚PBFA -ZR装置(图5)正在提高性能,输出电流达到28～30MA,并提出了达到点火条件的X - 1装置50～60MA概念设计。罗切斯特大学的激光装置能量30kJ ,倍频波长351nm、辐照均匀性达1% ～2%、掺钕磷酸玻璃60路光束的Omega装置。俄罗斯的高功率装置有萨罗夫( Salov)实验室火花- 5,火花- 6装置(在建) ,库尔恰托夫研究所的Angara - 5 - 1装置等等) ,具有雄厚的技术基础和实力。