慣性約束聚變

慣性約束聚變利用粒子的慣性作用來(lái)約束粒子本身從而實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的方法01簡(jiǎn)介我國(guó)的發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)的基本思想的理論根據(jù)與技術(shù)原理目錄03050204基本信息慣性約束聚變（inertialconfinementfusion）是利用粒子的慣性作用來(lái)約束粒子本身，從而實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的一種方法。其基本思想是：利用驅(qū)動(dòng)器提供的能量使靶丸中的核聚變?nèi)剂希㈦埃┬纬傻入x子體，在這些等離子體粒子由于自身慣性作用還來(lái)不及向四周飛散的極短時(shí)間內(nèi)，通過(guò)向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應(yīng)。由于這種核聚變是依靠等離子體粒子自身的慣性約束作用而實(shí)現(xiàn)的，因而稱(chēng)為慣性約束聚變。詳細(xì)介紹了其理論依據(jù)以及技術(shù)原理、實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變的關(guān)鍵技術(shù)以及在我國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介在地球上實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng),將可能為人類(lèi)提供豐富、經(jīng)濟(jì)、安全的能源.慣性約束聚變(ICF)是實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兒苡邢Ｍ耐緩街?它是通過(guò)內(nèi)爆對(duì)熱核燃料進(jìn)行壓縮,使其達(dá)到高溫高密度，在內(nèi)爆運(yùn)動(dòng)過(guò)程中慣性約束下實(shí)驗(yàn)熱核點(diǎn)火和燃燒,從而獲取聚變能的方法.激光聚變是用激光作為驅(qū)動(dòng)源的.ICF領(lǐng)域研究工作的開(kāi)展無(wú)論對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事應(yīng)用,還是對(duì)于基礎(chǔ)研究探索都有著重要而特殊的意義。ICF早已成為當(dāng)代重大而難度大的國(guó)際高科技研究課題,為了演示點(diǎn)火和聚變?nèi)紵?世界各地都在進(jìn)行兆焦耳激光器拍瓦激光器高重復(fù)率能量驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)和建造,美國(guó)于2009年建成國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)

,法國(guó)正在加緊建造兆焦激光裝置(LMJ)。的基本思想的基本思想ICF的基本思想是

:利用激光或離子束作驅(qū)動(dòng)源,脈沖式地提供高強(qiáng)度能量,均勻地作用于裝填氘氚(DT)燃料的微型球狀靶丸外殼表面,形成高溫高壓等離子體,利用反沖壓力,使靶外殼極快地向心運(yùn)動(dòng),壓縮氘氚主燃料層到每立方厘米的幾百克質(zhì)量的極高密度,并使局部氘氚區(qū)域形成高溫高密度熱斑,達(dá)到點(diǎn)火條件(離子溫度Ti>5keV,燃料的面密度ρRhs>0.3g/cm2),驅(qū)動(dòng)脈沖寬度為納秒級(jí),在高溫高密度熱核燃料來(lái)不及飛散之前,進(jìn)行充分熱核燃燒,放出大量聚變能.采用激光產(chǎn)生的慣性約束聚變稱(chēng)為激光聚變.利用激光產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變內(nèi)爆需要的能流和壓強(qiáng)可采用兩種途徑。在直接驅(qū)動(dòng)中,多束激光束直接均勻輻照含有熱核燃料的聚變靶丸,激光能量被靶丸外層低密度的冕區(qū)中的電子吸收,電子熱傳導(dǎo)將能量輸運(yùn)到靶殼的高密度區(qū),驅(qū)動(dòng)燒蝕并產(chǎn)生內(nèi)爆.在間接驅(qū)動(dòng)中,激光能量被圍繞靶丸的黑腔壁高Z物質(zhì)吸收并部分轉(zhuǎn)換成X光能量,并被約束在黑腔內(nèi),然后X光被燃料的靶丸吸收,產(chǎn)生燒蝕壓力,驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆。我國(guó)的發(fā)展我國(guó)的發(fā)展國(guó)內(nèi)自2000年以來(lái)的激光慣性聚變(inertialconfmementfusion,ICF)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

,主要內(nèi)容為神光Ⅱ激光裝置上的實(shí)驗(yàn),也對(duì)剛建成不久的神光III原型裝置上的實(shí)驗(yàn)作簡(jiǎn)要介紹.在神光Ⅱ激光裝置上開(kāi)展了多項(xiàng)的物理實(shí)驗(yàn)研究,進(jìn)行了系列綜合和分解實(shí)驗(yàn),獲得的主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)為:黑腔峰值輻射溫度超過(guò)二百萬(wàn)度;輻射驅(qū)動(dòng)DT聚變中子產(chǎn)額達(dá)108和輻射驅(qū)動(dòng)壓縮DD燃料密度超過(guò)10倍液氘密度;輻射不透明的樣品溫度接近100eV.在神光II裝置上得到這些結(jié)果表明國(guó)內(nèi)在慣性約束聚變研究方面取得了顯著的進(jìn)步.隨著神光III原型裝置建造的完成,2007年在該裝置上進(jìn)行了首輪物理實(shí)驗(yàn),開(kāi)展了黑腔物理和輻射內(nèi)爆物理實(shí)驗(yàn),首輪實(shí)驗(yàn)的成功說(shuō)明神光Ⅲ原型裝置已具備實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?的理論根據(jù)與技術(shù)原理技術(shù)原理理論根據(jù)的理論根據(jù)與技術(shù)原理理論根據(jù)慣性約束聚變?cè)趹T性約束聚變中

，勞孫條件以靶丸的質(zhì)量密度ρ與半徑R的乘積ρR來(lái)表示（在磁約束中，勞孫條件通常以粒子數(shù)密度n和約束時(shí)間τ的乘積nτ表示）。慣性約束的勞孫條件是ρR>1克/厘米2或10千克/米2。慣性約束聚變靶丸能量增益因子Q定義成核聚變釋放的能量En和驅(qū)動(dòng)器提供靶丸的熱能Ei之比：Q=En/Ei，它是衡量聚變釋放的能量相對(duì)于驅(qū)動(dòng)器提供的能量大小的一個(gè)重要參數(shù)。Q=1表示能量“得失相當(dāng)”的條件。能量增益因子Q與ρR之間的關(guān)系由靶的燃燒百分比FB（靶丸內(nèi)產(chǎn)生聚變的離子數(shù)占靶丸離子總數(shù)的百分?jǐn)?shù)）來(lái)建立。在電子和離子溫度相同并為10千電子伏時(shí)，Q≈300FB，其中：FB=ρR/[60(千克/米2)+ρR]由上式可知，如果增加等離子體密度，就可增加燃燒百分比，即可提高能量增益。靶丸半徑增加，也可提高增益，但驅(qū)動(dòng)器的能量必須相應(yīng)增加。慣性約束的時(shí)間(τ)正比于以聲速(сs)前進(jìn)的稀疏波，從靶球（半徑為R）邊緣傳播至中心所耗費(fèi)的時(shí)間，亦即τ=R/4сs。在慣性約束聚變中，常以質(zhì)量密度ρ與半徑的積ρR替代磁約束中的勞孫數(shù)nτ。熱核燃燒的燃耗（指氘氚燃料經(jīng)聚變反應(yīng)而“燒掉”的比例）依賴(lài)于ρR的取值。在慣性約束聚變中，約束由聚變物質(zhì)的慣性所提供，聚變反應(yīng)必須在等離子體以高速（約108cm/s）從反應(yīng)區(qū)飛散前的短暫時(shí)間（約10－10—10－11s）內(nèi)完成。所以是一種以短脈沖方式運(yùn)行的受控核聚變。技術(shù)原理慣性約束聚變激光技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兲峁┝藯l件，現(xiàn)代激光技術(shù)能產(chǎn)生聚焦良好的能量巨大的脈沖光束。采用多路高強(qiáng)脈沖激光對(duì)稱(chēng)地集射到球形氘氚靶丸上使之加熱，表面消融為高溫等離子體，高速?lài)娚涑鰜?lái)產(chǎn)生強(qiáng)大的反沖力，擠壓靶芯，使之溫度和密度急驟升高而發(fā)生聚變。除了采用激光束外，也可采用電子束或離子束。在進(jìn)行磁約束研究的同時(shí)，20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于激光的出現(xiàn)，在受控聚變的領(lǐng)域出現(xiàn)了慣性約束聚變。聚變能最先是通過(guò)慣性約束，在氫彈中大量產(chǎn)生的。在氫彈中，引爆用的原子彈所產(chǎn)生的高溫高壓，使氫彈中的聚變?nèi)剂弦揽繎T性擠壓在一起，在飛散之前產(chǎn)生大量聚變。但是氫彈爆炸時(shí)，每次釋放的能量太大，使得人類(lèi)難以利用。如果不是用原子彈，而是用其他辦法，有節(jié)奏地引爆一個(gè)個(gè)微型氫彈，就能夠得到連續(xù)的能量供應(yīng)。這種理想，在20世紀(jì)60年代激光問(wèn)世以后，就有了實(shí)現(xiàn)的可能性。為了加大激光引爆的效率，一般是對(duì)稱(chēng)地布置多路激光，同時(shí)照射直徑1毫米左右的氘、氚實(shí)心或空心小丸。在十億分之幾秒的時(shí)間里，激光被靶丸吸收，周?chē)纬蓭浊f(wàn)攝氏度的高溫等離子體組成的冕區(qū)，發(fā)出比太陽(yáng)耀眼得多的光芒，使靶丸大部分外層靶材受熱向外噴射，由于反沖力形成的聚心沖擊波，將靶芯千百倍地壓縮，并產(chǎn)生上億度的高溫。依靠聚心壓縮的慣性，靶芯在尚未來(lái)得及分散前發(fā)生聚變。的關(guān)鍵技術(shù)爆聚相互作用靶診斷驅(qū)動(dòng)器12345的關(guān)鍵技術(shù)爆聚慣性約束聚變將氘氚燃料壓縮至超高密度所需要的巨大壓力能夠由激光或帶電粒子束（或由它們轉(zhuǎn)換成的軟X射線(xiàn)輻射）驅(qū)動(dòng)的球形爆聚而產(chǎn)生。下面以激光直接驅(qū)動(dòng)球形靶丸為例簡(jiǎn)單描述典型的高密度爆聚的物理過(guò)程。用多束激光球?qū)ΨQ(chēng)輻照聚變靶丸時(shí)，束能主要是在臨界密度面（該處的等離子體頻率與入射的激光頻率相等）附近被吸收并加熱電子，在靶丸周?chē)纬上”〉母邷氐入x子體冕區(qū)。沉積在冕區(qū)的熱能，由電子的熱傳導(dǎo)而向內(nèi)傳送到尚未加熱的靶丸表面（又稱(chēng)消融面），引起靶面物質(zhì)的迅速消融并向外猛烈噴射。在噴射物質(zhì)的反沖力（又稱(chēng)消融壓力）作用下，產(chǎn)生向內(nèi)傳播的球形聚心沖擊波，因而壓縮未被消融掉的剩余靶丸物質(zhì)（即氘氚燃料）。在消融爆聚過(guò)程中，超高壓縮必需的巨大壓力主要靠傳熱與聚心增壓兩種手段實(shí)現(xiàn)。這就要求通過(guò)束能的有效吸收與沉積能量向消融面的輸運(yùn)能產(chǎn)生足夠高的消融壓力，而且在聚心壓縮過(guò)程中還應(yīng)嚴(yán)格保持高度的球?qū)ΨQ(chēng)性。爆聚的對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致下列苛刻要求：靶丸受照射的均勻性；靶丸殼層面很高的光潔度及有效防止流體力學(xué)不穩(wěn)定性（主要是瑞利－泰勒不穩(wěn)定性）發(fā)展等。另外，任何形式的燃料預(yù)加熱也嚴(yán)重妨害達(dá)到預(yù)期的高壓縮。激光爆聚的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已分別取得了將氘氚壓縮至液態(tài)密度100倍（離子溫度約500eV，壓力約1010atm）與經(jīng)氘氚熱核反應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)最高達(dá)4×1010個(gè)（離子溫度約10KeV）的總體結(jié)果。相互作用慣性約束聚變束能的吸收與吸收能量向靶內(nèi)部的輸運(yùn)是最重要的問(wèn)題。有關(guān)激光－等離子體相互作用已經(jīng)作了大量研究工作，但由于現(xiàn)象的復(fù)雜性，仍有很多問(wèn)題尚待解決。而對(duì)粒子束－等離子體相互作用的研究還剛開(kāi)始。慣性約束聚變激光束是在靶外圍的較稀薄的冕區(qū)等離子體中傳播、吸收或反射的。吸收是通過(guò)經(jīng)典的逆軔致輻射（又稱(chēng)碰撞吸收）與激發(fā)等離子體波（又稱(chēng)反常吸收，包括共振吸收、衰變不穩(wěn)定性與離子聲湍流等）的過(guò)程而實(shí)現(xiàn)的。束能主要耦合給電子；隨后，經(jīng)過(guò)電子－離子的碰撞再加熱離子。激發(fā)等離子體波的反常吸收會(huì)產(chǎn)生能量高達(dá)10—100KeV量級(jí)的超熱電子，這些有較長(zhǎng)射程的超熱電子對(duì)靶心的預(yù)加熱是實(shí)現(xiàn)高壓縮爆聚的嚴(yán)重障礙。與上述吸收過(guò)程相競(jìng)爭(zhēng)的，還可能存在幾種由高強(qiáng)度激光所激發(fā)的等離子體不穩(wěn)定性。不穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生非常高能（50—100KeV）的電子；布里淵不穩(wěn)定性則引起入射激光的反射損失；而細(xì)絲不穩(wěn)定性會(huì)加劇入射激光束在強(qiáng)度分布上的空間不均勻性以致形成局部光強(qiáng)異常高的細(xì)絲通道。尋求能抑制上述等離子體不穩(wěn)定性的方法已成為相互作用研究的重要內(nèi)容。在臨界密度附近，等離子體密度輪廓變陡是高強(qiáng)度激光與等離子體相互作用中的另一非線(xiàn)性效應(yīng)。這種變陡主要是由光波和等離子體波所產(chǎn)生的有質(zhì)動(dòng)力引起的，它反過(guò)來(lái)又會(huì)對(duì)冕區(qū)等離子體中的各種物理過(guò)程產(chǎn)生重要影響。另外，在冕區(qū)等離子體中，還觀(guān)察到自生磁場(chǎng)，最高可達(dá)幾兆高斯。這種自生磁場(chǎng)雖不可能直接影響等離子體的流體力學(xué)行為，卻有可能對(duì)電子熱傳導(dǎo)等過(guò)程產(chǎn)生重要的作用。靶靶的結(jié)構(gòu)決定了束－靶耦合與爆聚物理的特征，無(wú)疑是慣性約束聚變的核心部分。靶的設(shè)計(jì)要用一維或二維流體力學(xué)編碼進(jìn)行大容量的計(jì)算機(jī)模擬才能完成，美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所編制的稱(chēng)為“LASNEX”的二維多群能量輸運(yùn)磁流體力學(xué)程序是最著名的靶設(shè)計(jì)編碼。由于在表面光潔度、同心度、材料成分及殼層結(jié)構(gòu)等方面的苛刻要求，慣性約束靶的制造與質(zhì)量檢測(cè)是一項(xiàng)涉及到高精密工藝技術(shù)的艱難課題。在慣性約束聚變中，有兩類(lèi)基本的靶設(shè)計(jì)模式：①直接驅(qū)動(dòng)靶，靶的外殼層在吸收了入射的激光或帶電粒子束能量后，將直接驅(qū)動(dòng)爆聚；②X射線(xiàn)驅(qū)動(dòng)靶，靶在吸收了入射的激光或帶電粒子束能量后，首先是將其轉(zhuǎn)換成軟X射線(xiàn)輻射；然后，再利用內(nèi)含在靶腔體中的輻射，對(duì)稱(chēng)地驅(qū)動(dòng)置于腔體內(nèi)的燃料球丸爆聚。因而，這類(lèi)靶也稱(chēng)為非直接驅(qū)動(dòng)靶。在X射線(xiàn)驅(qū)動(dòng)靶中，即使是利用較少路數(shù)的激光或帶電粒子束的非對(duì)稱(chēng)輻照，也易獲得高度球?qū)ΨQ(chēng)的爆聚。正是利用這類(lèi)靶設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了前述的100倍液態(tài)密度的高密度壓縮。在實(shí)驗(yàn)上，還廣泛進(jìn)行了激光轉(zhuǎn)換成X射線(xiàn)輻射的基礎(chǔ)研究，已證實(shí)利用短波長(zhǎng)激光可以獲得相當(dāng)高（如50%以上）的能量轉(zhuǎn)換效率。由于這種靶的結(jié)構(gòu)和核武器有更密切，所以X射線(xiàn)驅(qū)動(dòng)靶的具體設(shè)計(jì)仍處在保密的階段。慣性約束聚變?cè)诓槐Ｃ艿闹苯域?qū)動(dòng)爆聚的研究中，已提出過(guò)多種靶設(shè)計(jì)。診斷慣性約束聚變應(yīng)用并發(fā)展各種具有高分辨（時(shí)間、空間與能譜等）能力的等離子體診斷技術(shù)也是慣性約束聚變研究中重要的組成部分。束－靶耦合及爆聚－燃燒都是發(fā)生在極短時(shí)間、極小空間中的物理現(xiàn)象，而且會(huì)產(chǎn)生超高密度的高溫等離子體。這些特性要求慣性約束聚變的診斷應(yīng)有相當(dāng)寬且苛刻的參量測(cè)量范圍，對(duì)主要物理量（等離子體密度n、溫度T、電磁輻射的光子能量hv、粒子能量E及時(shí)間、空間尺度t、x）的診斷要求。這里的關(guān)鍵是皮（10－12）秒量級(jí)的時(shí)間分辨率、微米量級(jí)的空間分辨率以及經(jīng)壓縮得到的極高粒子數(shù)密度（最高可達(dá)1026cm－3量級(jí)）的測(cè)量。慣性約束靶的診斷主要是根據(jù)它所發(fā)射的包括了從紅外、可見(jiàn)、紫外、直到X射線(xiàn)區(qū)域的整個(gè)波段的電磁輻射（特別是極為豐富的X射線(xiàn)輻射）以及高能粒子（如快電子、快離子與聚變反應(yīng)產(chǎn)物等）的特性而進(jìn)行的；另外，利用具有貫穿進(jìn)高密度等離子體能力的短波長(zhǎng)（可見(jiàn)或紫外）激光束或輔助X射線(xiàn)束（以另外布局的輔助靶上產(chǎn)生的高溫等離子體為發(fā)射源）作探測(cè)束也提供了主動(dòng)型的診斷手段。慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)的目的是為了確定靶在爆聚全過(guò)程中的時(shí)間與空間行為，尤其是在密度與溫度上有很大變化的不同的區(qū)域（如靶外圍的冕區(qū)、消融區(qū)及中心爆聚區(qū)等）中發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移和變換過(guò)程。因而，研制并發(fā)展各種專(zhuān)門(mén)的分屬光學(xué)、X射線(xiàn)及粒子等方面的診斷方法或儀器（見(jiàn)超高密度高溫等離子體診斷）就是十分必要的。慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)診斷的另一特點(diǎn)是要求在單次打靶中能使用大量診斷儀器以盡可能取得較完備的測(cè)量數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)器慣性約束聚變高功率、短脈沖激光器是最先用于聚變并有最大成就的一類(lèi)驅(qū)動(dòng)器。在時(shí)間與空間上的高度集中能力與可調(diào)節(jié)的性能，以及傳輸上的方便都是激光所特有的優(yōu)點(diǎn)。最重要的激光系統(tǒng)是釹玻璃（波長(zhǎng)1.05μm），CO2（波長(zhǎng)10.6μm），原子碘（波長(zhǎng)1.315μm）與KrF（波長(zhǎng)0.248μm）等。迄今，絕大部分聚變實(shí)驗(yàn)是利用釹玻璃激光（1.05μm與其諧波0.53μm，0.35μm和0.26μm）與CO2激光完成的。這兩種激光都已有大于104J和大于1013W的輸出能力的裝置。釹玻璃激光雖效率低（<1%）、成本高且重復(fù)率低，不能作為未來(lái)聚變堆的驅(qū)動(dòng)器。然而，研究表明：較短的激光波長(zhǎng)（<1μm）能有較好的束－靶耦合、更低的超熱電子預(yù)加熱和更高的軟X射線(xiàn)轉(zhuǎn)換效率；且釹玻璃激光的二次與三次諧波的轉(zhuǎn)換率已可超過(guò)70%。所以，釹玻璃激光仍然是演示原理性實(shí)驗(yàn)與核爆炸模擬研究的最有效的手段。CO2激光雖效率高、成本低，但波長(zhǎng)效應(yīng)仍是根本的問(wèn)題。大型激光器已采