哈工程核學(xué)院第一個課程設(shè)計第三章2

慣性約束聚變驅(qū)動束的能量沉積和輸運InertialConfinementFusion二、離子束的能量沉積激光作為慣性約束聚變驅(qū)動器的一個嚴重問題：在高強度下束靶相互作用的某些非線性效應(yīng)變得很重要并導(dǎo)致超熱電子的產(chǎn)生。這些超熱電子會預(yù)熱燃料，使聚變效率下降。如何解決超熱電子的產(chǎn)生是靶設(shè)計中有待解決的問題。離子束作為ICF的驅(qū)動器的好處：它與物質(zhì)的相互作用機制基本上是經(jīng)典的庫侖碰撞，這種機制是研究的比較清楚的，因此可以用經(jīng)典公式來加以描述，使得人們較有把握地預(yù)言束-靶的能量交換關(guān)系。離子束在靶物質(zhì)中不僅阻止本領(lǐng)大，而且其能量其中沉積在其射程的末端附近。其大部分能量都為靶淺層吸收，有利于靶丸的聚爆。離子束能量沉積特性1、離子射程條件為有效地驅(qū)動慣性約束聚變靶聚爆，離子束在靶中的能量沉積必須能夠產(chǎn)生107cm/s的消融速度，消融爆炸應(yīng)產(chǎn)生的2×107cm/s聚爆速度，這是熱核點火需要的最小速度。與此速度相對應(yīng)的靶物質(zhì)的比動能是5×106J/g，如果考慮消融物質(zhì)的熱能，全部比動能約為2×107J/g。設(shè)靶丸為球形靶，半徑為r，殼厚為Δr，R表示離子的射程，因R=ρΔr，于是有：對一經(jīng)典靶，r約為0.3cm，E約5×106J，則要求R≈40～200mg/cm2。射程100mg/cm2的離子低強度離子束在冷物質(zhì)中的阻止本領(lǐng)已經(jīng)有許多理論和實驗研究。這些結(jié)果也可用于離子束在慣性約束核聚變的消融物質(zhì)中的阻止本領(lǐng)的研究上。但考慮到此時消融物質(zhì)的高溫和強流，就必須對低強度的結(jié)構(gòu)進行某些修正。2、離子在物質(zhì)中的經(jīng)典阻止本領(lǐng)離子在物質(zhì)中慢化的基本機制是通過庫倫作用，靶物質(zhì)的束縛原子在離子的作用下發(fā)生激發(fā)和電離，這種離子阻止過程通常用Bethe方程描述：

為平均電離電位；即使對高能（103MeV）離子，射程仍然不超過0.1mm。在Bethe公式中，平均電離電位是很重要的參量，通常由實驗測定。對于較高的電離態(tài)，這個公式是發(fā)散的，在考慮了殼修正后，粒子能量較低時Bethe模型得到了改進，但能量很低時仍然無效。此時習慣上利用LSS模型，用束縛電子的Thomas-Fermi理論描述，并且將電離和激發(fā)的阻止本領(lǐng)加到射彈離子的核彈性散射上去，電子的貢獻為：于是高能離子在冷物質(zhì)中的阻止本領(lǐng)可以估計為：核彈性散射的貢獻可以表示為：射彈離子的有效電荷可以表示為：以上模型只是適當?shù)孛枋隽穗x子在冷物質(zhì)中的阻止情況。在離子束作為慣性約束核聚變驅(qū)動器的情況下，離子束入射到靶上沉積能量，消融靶物質(zhì)到高溫（幾百eV，甚至更高），靶物質(zhì)電離形成高溫等離子體，此時電離產(chǎn)生的大量的自由電子將對阻止本領(lǐng)有相當?shù)呢暙I。電離同時也改變了其余的束縛電子的性質(zhì)并且屏蔽入射離子。高溫電離將對離子束能量的沉積產(chǎn)生重大影響。對于自由電子，能量的損失關(guān)系為：對于等離子體中的離子組分，阻止本領(lǐng)的表達式為：在電離溫度下，在稠密的慣性約束核聚變的消融體中，離子的阻止本領(lǐng)要比冷物質(zhì)中的阻止本領(lǐng)情況復(fù)雜得多。在冷物質(zhì)中，實驗數(shù)據(jù)較多，在高溫下，實驗數(shù)據(jù)較少。

上述理論和模型屬于低強度理論，即稀薄離子束的情況，這些理論是否可以應(yīng)用于強流、高功率的離子束，還需要做進一步論證。3、離子的經(jīng)典阻止理論舉例單能C離子在固體金靶中的阻止本領(lǐng)如圖所示，利用了帶殼修正的Bethe理論和LSS模型所欲言的阻止結(jié)果?？梢姡珺ethe理論在低能端是發(fā)散的，但可用LSS理論彌補。dE/d(ρx)(MeV/mg·cm2)E(MeV)在200eV溫度和10%固體密度金中各部分的阻止本領(lǐng)，入射離子為C離子，可見自由電子對阻止本領(lǐng)的重要影響。dE/d(ρx)(MeV/mg·cm2)E(MeV)dE/d(A1ρx)深度（mg/cm2）三種離子在冷物質(zhì)中和高溫金（200eV、0.01倍固體密度）中所顯示的不同的能量沉積特性?？梢?，在冷物質(zhì)中，能量沉積存在Bragg峰，特別是質(zhì)子；而在高溫下這些Bragg峰基本消失，且電子對能量沉積的貢獻占據(jù)了優(yōu)勢。dE/dx(MeV/cm)x(μm)如圖示初始能量為10MeV的質(zhì)子束垂直入射到由Pb和Al構(gòu)成的靶殼上，Pb層（180μm）和Al層（320μm）對質(zhì)子束的阻止本領(lǐng)。

選取Pb和Al作靶殼是因為它們作為護持器和推進器有合適的密度，而且它們產(chǎn)生的感生放射性也比較少。束流在Pb中損失20%的能量，在Al層中損失80%的能量。當大部分能量沉積在Al層中，Al層膨脹。由于包著Pb層，Al層只向內(nèi)膨脹。t(ns)r(mm)如圖為靶聚爆的模擬結(jié)果，可見：Al層膨脹，Pb層也膨脹并擠壓里面的Al層，在聚爆期間Pb層和Al層間的界面保持穩(wěn)定，Pb層有效地起著護持器的作用，Al層充分膨脹將它的熱能幾乎全部轉(zhuǎn)化為D-T燃料和自身的動能。意義：

了解離子束在高溫物質(zhì)中能量沉積特性對于離子束聚變的靶丸設(shè)計是非常重要的，因為它左右著消融體應(yīng)該具有的厚度和為達到2×107J/g的比能量所需的束流功率密度，這些數(shù)據(jù)都是靶設(shè)計的重要依據(jù)。三、等離子體中的能量輸運驅(qū)動束入射在靶丸上，靶表面的某些原子將蒸發(fā)和電離，形成包圍靶的等離子體，束流的能量繼續(xù)在這樣的等離子體冕區(qū)被繼續(xù)吸收。如果驅(qū)動器是激光，激光束只能在臨界密度面之外的區(qū)域沉積能量，而不能傳輸?shù)矫芏雀哂谂R界密度的地方；如果驅(qū)動束是離子，將被包圍靶的等離子體噴出云所屏蔽而貫穿不到更深的消融面。沉積于等離子體冕區(qū)的能量是通過一些熱輸運機制傳輸?shù)礁畹南诿嬉鸢袣拥倪B續(xù)消融的。慣性約束核聚變靶中的能量輸運研究認為嘉靶等離子軟體中的能福量輸運機幕制主要有柴三類：電子熱傳筑導(dǎo)，超熱盾電子輸運達、輻射輸鋤運在高溫豈等離子務(wù)體中，勻電子熱笛傳導(dǎo)是撥重要的節(jié)能量輸冤運機制郊，因為土質(zhì)量很溫小的電評子在高軌溫等離中子體冕往中有很假高的導(dǎo)釋熱系數(shù)聲，這使樹得電子巡壽導(dǎo)熱過吐程高度伶非線性稀化。等離子特體吸收搞的高強跟度激光蒸（1015W/cm2）能量的殿相當部分輔似乎都產(chǎn)縮慧生超熱電忌子，它們膝平均自由切程大，能見貫穿入密圓實的燃料驢中去，在法壓縮之前鋸預(yù)熱燃料趕。在高溫、洞高電離度少的等離子至體中，X射線的富能量輸仿運可能丸是比電辣子能量拔輸運更蒜為重要授的一種稱輸運機處制。1、電子廣熱傳導(dǎo)電子和離厘子的導(dǎo)熱狹率的一般王形式為：導(dǎo)熱率強雙烈地依賴敘于溫度，炮所以在靶肆等離子體戒中的熱傳砍導(dǎo)是高度勒非線性化截的。然而，優(yōu)激光-靶的相指互作用墨的實驗功表明，宅電子在拘吸收激壩光能后授，其熱往傳導(dǎo)過林程會受執(zhí)到其它發(fā)過程的伏抑制，董如超熱應(yīng)電子的禍輸運、井自磁場比的產(chǎn)生狂、等離勁子體湍傻流等都動可能強康烈影響息冕中的估能量輸賄運。所有實驗察已經(jīng)發(fā)現(xiàn)茫不管是長井脈沖或是莊短脈沖，身不管是高Z靶還是低Z靶，也不少管入射激成光是橫向耀的還是縱饑向的都存標在很強的對熱傳導(dǎo)抑征制現(xiàn)象。實驗發(fā)柳現(xiàn)冕區(qū)侍熱通量診的實際矮值，幾松乎比經(jīng)磚典物理紙所欲言議的值小湊了一個帽數(shù)量級根。目前，一北般認為導(dǎo)選致熱傳導(dǎo)峰抑制的機單制有：（1）自生遵磁場由于在星等離子汽體中存芹在很大配的熱梯雹度和密榨度梯度孔，因而幟產(chǎn)生電大流并因棍此有自現(xiàn)磁場：在此區(qū)捎強磁場血可能引擾起很強蒙的熱傳內(nèi)導(dǎo)抑制猴。（2）離子菠聲湍流在熱傳導(dǎo)已去存在一緞種平衡熱冷電子流的滴冷電子反懸流，通過突冷、熱電壟子組分或商熱電子和緊由等離子譜體噴出的謠離子流的憲逆流的作卡用產(chǎn)生不詢穩(wěn)定性，道不穩(wěn)定性倉導(dǎo)致離子甘聲湍流的育形成。電晶子同離子考聲湍流的殺擾動散射懶就會有效止地增加電牢子-離子的壁碰撞效危率引起飛熱傳導(dǎo)修的抑制木。（3）不穩(wěn)定庫性是由熱查流引起鞠電子分席布函數(shù)壯的各向璃異性導(dǎo)坦致的。丙這種各轟向異性飼可能引哈起小尺沿度的磁熄擾動，閃磁擾動欲會指數(shù)后增長。紡然后電鑼子同磁安擾動發(fā)致生許多娛小的碰握撞而受族到偏折裂，導(dǎo)致佳一種有尺效的碰浸撞頻率岸。（4）經(jīng)典描效應(yīng)可能有幾候種經(jīng)典效等應(yīng)降低熱科通量，如鬧冕芯去耦想機制能產(chǎn)駝生平均自聽由程遠大恭于靶半徑緩的熱電子電。這些熱晨電子在打梯進靶芯沉寶積能量之惠前要圍繞悲冕擺動許巷多次。另地外，由冷地熱電子流付反流產(chǎn)生社的電場一兵會抑制熱宅傳導(dǎo)?，F(xiàn)在熱傳擾導(dǎo)抑制機戒制尚沒有抓精確的確萍定，但實巧驗已經(jīng)證央明，在激坑光打靶中哨存在這種桌現(xiàn)象?，F(xiàn)輸在的分析昏可以預(yù)計客長波長激患光打靶，責熱通量抑賞制較嚴重枕，而短波長華激光熱刃通量抑騙制較輕。2、超熱嘉電子輸艷運證明激光蛙輻照等離朱子體的證斯據(jù)主要是鐘通過分析騙靶發(fā)射的X射線。靶再所發(fā)射的爺連續(xù)譜線攜或韌致輻障射可用來鴨推斷靶的弄溫度。詳細的X射線測無量已經(jīng)壇表明X射線的商發(fā)射不生能用一征種溫度家來表征建，這說溫明系統(tǒng)篇中存在志兩種不壤同溫度佛的電子—熱電子膊和超熱槳電子。超熱組宿分的溫雅度大約青是熱電蓬子溫度嶺的10~2幅0倍。超熱電子默在慣性約旁束核聚變記靶中的輸忙運超熱電餐子輸運普是一種菜復(fù)雜的動過程，嗽因為它舉們的平灘均自由嗓程特別稅長，除起了高密宋的靶心惜，其余蹦等離子酸體對超煤熱電子金都是相賤當透明良的，它艦們越過繪冕外區(qū)沿的空間員電荷勢幫而被加憂速到高抗溫，在舞壓縮沖豈擊波之璃前貫穿插消融區(qū)懸并預(yù)熱沸靶心。超熱電子艱是在激光芒聚變中有放待研究和纏解決的一拋個重要問鎮(zhèn)題。抑制方法躁：（1）采用肢短波長擠的激光飛；（2）采用加晃大緩沖層捆的厚度或時采用多殼做層靶。3、輻射是輸運（高溫高氧電離等離終子體中，謝比電子能掙量輸運更脫重要）等離子駱體發(fā)出云各種輻爸射的形頁式：低溫時眉：激發(fā)疾輻射；溫度升誰高：復(fù)慎合輻射午增加；高溫時?。喉g致衰輻射起膠主導(dǎo)作銹用。慣性約貢束核聚防變的特礦征溫度翅為keV量級，其制等離子體鐵的輻射波抽段為X射線波目段。X射線輻旺射不僅烏在等離望子體能撫量轉(zhuǎn)移被機制中鐵起重要素的作用榨，而且攝它也強旨烈地影今響靶的涼聚爆和崇熱核燃對燒動力道學(xué)：在聚爆容過程中求為使消冬融沖擊如波在靶雞芯達到永最佳會騎聚，從含能量沉呀積區(qū)到布消融面定的能量丟轉(zhuǎn)移速街率需作魚精心設(shè)掃計，否敗則能量壓轉(zhuǎn)移效爆率對最盆佳值的嬌稍稍偏賊離就會貫大大降矮低聚爆另效率；在燃料威熱核燃支燒時，迅通過X射線而損駕失能量。在慣性訂約束核棍聚變的紙許多靶播設(shè)計中較，燃料掏是用高Z的緩沖層償包圍著，槐這樣燃燒的的燃料所厭產(chǎn)生的輻管射將被緩蔥沖層和消惕融的靶物吊質(zhì)所吸收鉛。X射線輻射院還是等離驗子體特征浩和聚爆過受程的一個殺重要的診裕斷手段。惱例如通過掌分析靶X射線的時煤間分布和X射線成像離技術(shù)可以飯得到電子