論文--激光聚變的回顧與展望

1、激光聚變的回顧與展望摘要 我們組小論文的主要內(nèi)容是激光聚變的review，以及我們對于未來前景的一些想法。眾所周知，可控核聚變是人類徹底解決能源問題的可能途徑之一，也是物理學(xué)的光榮與夢想。目前來看，實(shí)現(xiàn)可控核聚變的方式主要有兩個，一個是磁約束聚變，另一個是慣性約束聚變。而激光聚變是慣性約束聚變的一種，其發(fā)展速度很快，值得我們關(guān)注。關(guān)鍵詞 激光聚變 回顧 展望1.引言我們組的選題為激光聚變的回顧與展望，期間我們做了大量的調(diào)研工作，也進(jìn)行了一些自己的推導(dǎo)（這些推導(dǎo)主要是驗(yàn)證性的）。由于上個星期考試，我們沒有時間做成PPT向大家展示，只能把我們的一些調(diào)研和想法寫到本小論文里。1.1核聚變研究歷史簡述

2、-邁向激光聚變可控核聚變是人類徹底解決能源問題的可能途徑之一，也是物理學(xué)的光榮與夢想。目前來看，實(shí)現(xiàn)可控核聚變的方式主要有兩個，一個是磁約束聚變，另一個是慣性約束聚變。而激光聚變是慣性約束聚變的一種。大致說來，可控聚變的研究就是學(xué)習(xí)怎么操控等離子體。仿星器、托卡馬克等裝置都是試圖用磁場來控制等離子體，然而，美國ITER技術(shù)咨詢委員會現(xiàn)任主席查爾斯貝克說：“無論你對它們做什么，等離子體總是會有一點(diǎn)不穩(wěn)定?！?難以馴服的等離子體讓科學(xué)家們不斷受挫，但同時也讓他們萌生了另辟蹊徑的想法。世紀(jì)年代能源危機(jī)發(fā)生時，通往核聚變的另一條平行的研究計劃也誕生了，科學(xué)家希望這條新的途徑能夠避免磁約束等離子體中遇到

3、的一些問題。這些技術(shù)用許多束激光去壓縮和加熱一個由氘和氚構(gòu)成的靶丸。這就是激光聚變研究的發(fā)端?？傮w上，按照高功率激光驅(qū)動器，可以劃分為如下的三個層次：第一代驅(qū)動器以探究聚變物理為牽引目標(biāo)，釆用“MOPA”(主振蕩放大）結(jié)構(gòu)，其特征為：單程放大，能量提取效率低，結(jié)構(gòu)分離，單位能量造價較高。典型裝置為美國利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的Shiva以及Nova,羅切斯特大學(xué)的OMEGA,日本大阪大學(xué)的Gekko-XII，以及中國的SG-II。第二代驅(qū)動器以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火為牽引目標(biāo)，主要特點(diǎn)為多程放大，模塊化，組合結(jié)構(gòu)，能量提取效率較高。典型裝置為美國LLNL的NIF,法國的LMJ。第三代驅(qū)動器以聚變能演示為牽引，設(shè)計目標(biāo)

4、為lOHz高重頻，能量效率高10%，輸出能量大于10MJ。美國的LIFE計劃以及歐洲的HiPER計劃都是以第三代驅(qū)動器作為其驅(qū)動裝置。1.2曙光據(jù)美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室7月12日報告，美國國家點(diǎn)火裝置7月5日發(fā)射了192束激光，并使其融合成了一個激光脈沖，產(chǎn)生了500萬億瓦特峰值功率，這比美國在任何特定時刻內(nèi)使用的總電量還要高1000多倍，并且是人類歷史上發(fā)射的能量最大的激光脈沖。在9月底的一次試驗(yàn)中，核聚變產(chǎn)生的能量首次超過了燃料吸收的能量！這是歷史性的進(jìn)展，也帶來了新的問題：磁約束聚變還是激光聚變？ITER還是NIF？這是一個問題。以下我們主要介紹一下激光聚變。2.激光聚變的理論推導(dǎo)

5、激光聚變的原理可以用一句話定性地說明：強(qiáng)激光或者X射線從各個方向照射靶丸，激光或者X射線燒燭聚變?nèi)剂?，一些燃料被向外拋出，與此同時另一部分燃料則向內(nèi)運(yùn)動壓縮剩余燃料直至滿足聚變點(diǎn)火條件，聚變發(fā)生，產(chǎn)生大量能量。當(dāng)然，我們需要定量的推導(dǎo)。以下為我們驗(yàn)證性地推導(dǎo)原理。2.1核聚變理論推導(dǎo)根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，核反應(yīng)產(chǎn)物的總質(zhì)量小于反應(yīng)前核材料的總質(zhì)量，那么反應(yīng)為放熱反應(yīng)，放出能量的大小為: 最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)為氘(D,Deuterium)和氚(T,Tritium)生成一個氦核以及一個中子的反應(yīng)。目前主流聚變裝置就是利用這個反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)聚變能，以下我們也已這個為例推導(dǎo)。慣性約束聚變并不依賴外界的約

6、束手段，而是依賴于物質(zhì)的慣性將聚變?nèi)剂显诤芏虝r間內(nèi)壓縮至高壓高密度的狀態(tài)以達(dá)到聚變點(diǎn)火的條件，因此可以說慣性約束是一種脈沖的概念。Dawson等人給出了聚變實(shí)現(xiàn)必須滿足的條件，即Lawson判據(jù)。下面推導(dǎo)Lawson判據(jù)。偉大的科學(xué)家Gomov得到低能區(qū)全部的核反應(yīng)截面為：，E為質(zhì)心系碰撞能量，S、G為常數(shù)，隨元素而異。以氘氚為例，單位體積單位時間發(fā)生核聚變的次數(shù)為：其中，為克羅內(nèi)克符號。推導(dǎo)得：（）有具體的熱力學(xué)分布函數(shù)可得的值。再設(shè)Q為發(fā)生一次氘氚聚變所釋放的能量，假設(shè)(N為反應(yīng)物質(zhì)單位體積內(nèi)粒子數(shù))，由于D與D反應(yīng)的反應(yīng)截面遠(yuǎn)小于DT反應(yīng)的反應(yīng)截面。所以D與D的反應(yīng)可忽略不計 易得聚變反

7、應(yīng)的功率密度：功率密度若聚變可以自持，則應(yīng)滿足等離子體的聚變放能大于維持等離子體消耗的能量。設(shè)等離子體的約束時間為則應(yīng)有：得：這就是所謂的Lawson判據(jù)！由于激光約束核聚變的反應(yīng)在靶丸內(nèi)進(jìn)行，由此我們也可以得到更為實(shí)用的 R判據(jù)。其中為密度，R為靶丸半徑。由=mn,R=得（v代表靶丸等離子體中的聲速）由于實(shí)驗(yàn)中不可避免有各種能量損耗，因此實(shí)際的判據(jù)應(yīng)該比以上結(jié)果大。但上式給了我們一個很好的半定量近似。代入數(shù)值，計算之后，可以得到聚變條件要求。一般情況下，要實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，熱核燃料需要達(dá)到高溫，高密度的狀態(tài)，具體來說需要滿足以下三個條件：1)Lawson判據(jù)： 2)等離子體溫度： 3)pr 乘積

8、： 2.2激光聚變理論對于激光慣性約束聚變，強(qiáng)激光或者X射線從各個方向照射靶丸，激光或者X射線燒燭聚變?nèi)剂?，一些燃料被向外拋出，與此同時另一部分燃料則向內(nèi)運(yùn)動壓縮剩余燃料直至滿足聚變點(diǎn)火條件，聚變發(fā)生，產(chǎn)生大量能量。激光的驅(qū)動方式可以分為直接驅(qū)動和間接驅(qū)動。對于直接驅(qū)動方式，光束在立體角內(nèi)均勻地輻射燃料勒；對于間接驅(qū)動方式而言，光束輻射一個柱狀的黑腔，腔壁上涂有高Z材料用以產(chǎn)生X射線并以黑體輻射的方式照射靶丸。采用間接驅(qū)動的目的在于其具有良好的輻射對稱性以及穩(wěn)定性，代價是其整體的能量效率較低。要實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)需要滿足如下要求:1.驅(qū)動器能量高效耦合到靶丸，對驅(qū)動器而言這要求使用亞微米的波長和采用

9、較低的光強(qiáng)防止燃料被提前加熱；2.通過優(yōu)化點(diǎn)火參數(shù)高效地利用耦合到燃料的能量，等離子體約束的目的在于壓縮靶丸，任何提前加熱都應(yīng)該被維持在最低限度內(nèi)；3.滿足輻射的對稱性，保證中心點(diǎn)火的產(chǎn)生；4.控制流體力學(xué)不穩(wěn)定性如:Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性。慣性約束聚變研究的終極目的為獲得高增益的聚變能。顯然要達(dá)到這種物質(zhì)狀態(tài)，需要外界提供強(qiáng)大的驅(qū)動源產(chǎn)生足夠的壓強(qiáng)來壓縮靶燃料。除了激光直接輻射能產(chǎn)生光壓之外，球型內(nèi)爆技術(shù)提供重要的增壓手段。一個典型的內(nèi)爆過程為：激光從各個方向均勻的輻射靶丸表面產(chǎn)生一層等離子體，激光通過等離子時，以逆初致和一些等離子效應(yīng)被吸收，最終形成燒燭壓。燒燭壓驅(qū)動等離子

10、物質(zhì)向外噴射，另一部分等離子體會向內(nèi)聚心壓縮剩余燃料，最終達(dá)到點(diǎn)火的要求。目前研究的比較成熟的點(diǎn)火模型為中心點(diǎn)火模型。其靶丸由外殼，氘氚冰燃料層以及低密度的氘氚飽和蒸氣組成。激光驅(qū)動的脈沖形狀也經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，脈沖由能量較低但是脈寬較長的預(yù)脈沖以及脈寬較短，能量則高出幾十倍的主脈沖組成。預(yù)脈沖用于產(chǎn)生一個等熵壓縮的環(huán)境，主脈沖則用于形成中心熱斑。除了上述的中心點(diǎn)火方案,較為新型的點(diǎn)火方式還有快點(diǎn)火和沖擊點(diǎn)火方案。下圖給出了以上三種點(diǎn)火方式對應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)示意圖。3.現(xiàn)階段人類的最新進(jìn)展目前在運(yùn)行的以及在建的大型激光裝置有美國羅切斯特大學(xué)的OMEGA裝置，以及LLNL的NIF裝置，法國的LMJ _，

11、中國的神光裝置。NIF和LMJ設(shè)計采用間接驅(qū)動方式。中國的神光III裝置釆用的是間接驅(qū)動方式。3.1 美帝的NIF裝置國家點(diǎn)火計劃采用間接驅(qū)動的方法，將充DT 燃料的靶丸被放置在高Z 金屬柱腔內(nèi)部，通過將激光驅(qū)動能量聚焦在輻射腔內(nèi)壁轉(zhuǎn)換成X 射線以實(shí)現(xiàn)內(nèi)爆驅(qū)動，如圖所示，入射激光的時間和空間分布被調(diào)制，從而將DT 燃料制造成1000g/cm3的外殼層，包圍低密度的點(diǎn)火熱斑。當(dāng)熱斑中心溫度達(dá)到10keV，面密度到達(dá)0.3g/cm2，約等于粒子截止范圍，當(dāng)內(nèi)爆燃料面密度達(dá)到1.5g/cm2 時，熱斑即保持足夠長并通過加熱達(dá)到幾十keV。為實(shí)現(xiàn)這樣的面密度和熱溫度的條件，需要經(jīng)歷低熵過程，高聚集性球

12、對稱內(nèi)爆(30-40)。這需要精確的控制激光脈沖和靶型，平衡各種內(nèi)爆參量的速度(v)，絕熱過程(a)，熱斑形狀(s)，絕熱燃料混合(m)。點(diǎn)火裝置上已經(jīng)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了部分指標(biāo)，但并非同時。熱斑壓力比預(yù)計值低23 倍，混合速度比預(yù)期值低。NIF采用48束激光，每束激光包含4個子束，從南北半球，以外環(huán)（50°，44.5°)和內(nèi)環(huán)(30°,23.5°)的分布輻射黑腔革巴，基于交叉光能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，內(nèi)環(huán)光束在波長和脈沖形狀上有別于外環(huán)光束，且內(nèi)外環(huán)的光束強(qiáng)度是可控的，用于改善X射線的輻射對稱性。驅(qū)動器設(shè)計輸出能量為1.8MJ，運(yùn)行波長,除此之外NIF裝置對光束定位和瞄

13、準(zhǔn)精度提出了高要求，誤差限為。3.2 法國佬的LMJLMJ裝置采用的是間接驅(qū)動方式34，60束(每束包含4個子束)激光分為6環(huán)以33.2°,49°和59.5°的傾角從黑腔紀(jì)兩端輻射。其驅(qū)動器輸出能量為1.8MJ,運(yùn)行波長為0.35"m" ，LMJ的一個重要目的為進(jìn)行武器設(shè)計。和NIF裝置類似，盡管LMJ主要的驅(qū)動方式為間接驅(qū)動，基于直接驅(qū)動方式的聚變研究也同時進(jìn)行。LMJ裝置采用了更多的光束束數(shù)，這也為其變換驅(qū)動方式提供了更多的靈活性。3.3我國的神光系列SG-III裝置設(shè)計采用間接驅(qū)動方式36，由48束激光組成，分為6個環(huán)，每環(huán)包括2X4個光

14、束。單束激光輸出能力為3.75kJ(),脈沖寬度為3ns，口徑為 36cmX 36cm。中國的神光III裝置釆用的是間接驅(qū)動方式，但受限于其驅(qū)動裝置的輸出能力，主要目的為探索和驗(yàn)證聚變過程中的關(guān)鍵問題。呵呵。NIF和LMJ設(shè)計采用間接驅(qū)動方式，設(shè)計目的在于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火以及武器設(shè)計。中國的神光III裝置釆用的是間接驅(qū)動方式，但受限于其驅(qū)動裝置的輸出能力，主要目的為探索和驗(yàn)證聚變過程中的關(guān)鍵問題。由此可見，對于激光聚變來說，我們急切需要追趕世界領(lǐng)先水平?？傮w來說，可以總結(jié)為下面一個表。以上驅(qū)動裝置主要是面向點(diǎn)火，點(diǎn)火物理研究或者武器而設(shè)計的聚變裝置，采取的驅(qū)動方式主要為間接驅(qū)動，點(diǎn)火方式為中心點(diǎn)火。最

15、近，歐洲計劃建造面向聚變能的激光聚變裝置HiPER，采用直接驅(qū)動方式，點(diǎn)火方式主要為更高效的快點(diǎn)火或者沖擊點(diǎn)火。HiPER裝置設(shè)計目的在于驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)IFE的其他聚變方式例如快點(diǎn)火或者是沖擊點(diǎn)火方式。HiPER計劃釆用48激光輻射靶丸，脈沖形式為輸出能量為250-300KJ，納秒級壓縮脈沖以及l(fā)OOkJ，15皮秒的點(diǎn)火脈沖。HiPER主要瞄準(zhǔn)聚變能，在設(shè)計意圖上HiPER希望能驗(yàn)證小光斑獲得高增益，以及可以穩(wěn)定，高重頻，高增益運(yùn)作的聚變方案。4.展望可控核聚變應(yīng)當(dāng)是目前世上為數(shù)不多的，投入資金、技術(shù)難度和潛在收獲都無比高昂的先進(jìn)科技之一。在火力、核能都受到質(zhì)疑，風(fēng)力、太陽能等替代能源又不能完全

16、替代上的今天，盡快將核聚變技術(shù)推向?qū)嵱?，成為了間不容緩的課題。目前，由可控核聚變的兩種思路所發(fā)展出來的兩個巨大宏偉的科學(xué)裝置ITER和NIF都在發(fā)展之中。我們組做這篇小論文時萌生一種想法：可否結(jié)合磁約束聚變（托卡馬克裝置）和激光聚變的優(yōu)點(diǎn)，在托卡馬克環(huán)流器內(nèi)部形成穩(wěn)定的等離子體時，用器壁上的激光器將能量聚焦在燃料上，從而可以瞬間產(chǎn)生聚變反應(yīng)，之后待其回復(fù)穩(wěn)定之后，再度點(diǎn)火？我們自知這種設(shè)想很不成熟，但本小論文也正是提出自己的一些想法，無所謂對錯。但我們都知道的一點(diǎn)是：一日不掌握可控核聚變，“能源枯竭”這柄達(dá)摩克利斯之劍就一日在頭頂高懸。參考文獻(xiàn)：1Dawson JM. On the Production of Plasma by Giant Pulse Lasers J. Physics of