原子物理學(xué)相關(guān)概念慣性約束聚變

1、慣性約束聚變又稱靶丸聚變,為實(shí)現(xiàn)受控核聚變的一種途徑。它是利用高功率的脈沖能束均勻照射微球快速地爆聚至密度(塼 103靶丸，由靶面物質(zhì)的消融噴離產(chǎn)生的反沖力使靶內(nèi)氘氚倍氘氚的液態(tài)密度)和熱核溫度(塼 10keV)，從而點(diǎn)燃的高效率聚變能的微型熱。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 108cms）從反應(yīng)區(qū)飛散前的短暫時(shí)間 (約 10-1010-11s)內(nèi)完成。所以是一種以短脈沖方式運(yùn)行的受控核聚變。通常是采用聚焦的強(qiáng)激光束或高能的帶電粒子（電子、輕離子或重離子）束，作為加熱與壓縮靶丸的驅(qū)動器。所以，又可以將慣性約束聚變分為激光聚變和粒子束（電子、輕離子

2、或重離子束）聚變。慣性約束聚變研究的長遠(yuǎn)目標(biāo)是建成聚變電站，探索受控?zé)岷诵履茉矗灰蚱淠軌虍a(chǎn)生與核中心相近的高能量密度狀態(tài)，所以又有著較近期的軍事上的應(yīng)用目標(biāo)，這是指在實(shí)驗(yàn)室中研究核也能為這些物理并模擬效應(yīng)；另外，慣性約束聚變形成的高壓、高溫的物質(zhì)狀態(tài)，條件下的物性研究提供可能。早在 1952 年，就已成功地將慣性約束的方式應(yīng)用于氫彈的熱；然而，利用激光或帶電粒子束照射靶丸而實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變的建議，是到 60 年代初激光問世后才提出的。隨后，由于調(diào) Q 脈沖激光器的出現(xiàn),開始了激光聚變的研究。在開始的前 10 年，還只是停留在簡單地用激光提高物質(zhì)的溫度以達(dá)到產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的條件;1968 年,列

3、的.國家等首次的 J.從氘化鋰平面型靶上獲得了中子。直到 1972 年，利等公開了高密度爆聚的理論，重點(diǎn)于是轉(zhuǎn)向多束激光輻照微球靶的高壓縮爆聚實(shí)驗(yàn)；激光聚變研究的規(guī)模也相應(yīng)有了相當(dāng)大的擴(kuò)充。另外，在脈沖功率技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，70 年代后又相繼開始了相對論性、輕離子束與重離子束聚變的研究。不過,與激光聚變已達(dá)到的水平相比較,它們都還處在發(fā)展的初期。解決慣性約束聚變的科學(xué)現(xiàn)實(shí)性問題是以達(dá)到科學(xué)上的得失相當(dāng)（即靶增益 G輸出的聚變能/輸入的驅(qū)動器能=1）并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高增益的聚變微爆為標(biāo)志的。而建立實(shí)用性的熱核反應(yīng)堆則需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步解決下述三項(xiàng)關(guān)鍵性的工程技術(shù)問題：即發(fā)展高效率、高重復(fù)率與低成本

4、的高能驅(qū)動器；制造經(jīng)濟(jì)上有競爭能力的反應(yīng)器（包括解決脈沖式強(qiáng)輻射引起的周期性疲勞與應(yīng)力問題）以及建立實(shí)用的制靶工廠。當(dāng)前，慣性約束聚變?nèi)蕴幵谘芯坑嘘P(guān)的物理問題和驗(yàn)證科學(xué)原理的階段。近期的目標(biāo)是達(dá)到的點(diǎn)火與科學(xué)上的得失相當(dāng)。而關(guān)鍵性的點(diǎn)火得失相當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)還有待于更大型的驅(qū)動器投入使用與更先進(jìn)的靶丸研制成功。熱核燃燒慣性約束的時(shí)間()正比于以聲速(s)前進(jìn)的稀疏波,從靶球（半徑為 R）邊緣至中心所耗費(fèi)的時(shí)間，亦即=R/4s。在慣性約束聚變中,常以質(zhì)量密度與半徑的積R 替代磁約束中的數(shù) n(即粒子數(shù)密度與約束時(shí)間的積)。熱核燃燒的燃耗嗞（指氘氚經(jīng)聚變反應(yīng)而“燒掉”的比例）依賴于R 的取值。在球形壓縮時(shí)

5、R 與(m2) 成正比；這里，m 是質(zhì)量。因而，為了達(dá)到一定的靶的質(zhì)量或驅(qū)動器的能量與2 成反丸增益，對于給定的等離子體溫度（如 10keV）,所需比。加熱壓縮的液態(tài)氘氚靶，即使為達(dá)到靶增益 G=1,所需驅(qū)動器的能量也會高至 109J。然而，如將氘氚壓縮至遠(yuǎn)高于它的液態(tài)密度(o)，所需能量就有可能大幅度降低到技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)的程度。當(dāng)然，相當(dāng)高的密度壓縮倍數(shù)，要求有巨大的壓力（約 1012atm）。爆聚將氘氚壓縮至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 射線輻射）驅(qū)動的球形爆聚而產(chǎn)生。下面以激光直接驅(qū)動球形靶丸為例簡單描述典型的高密度爆聚的物理過程。用多束激光球?qū)ΨQ輻

6、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，在靶丸周圍形成稀薄的高溫等離子體冕區(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（又稱消融壓力）作用下，產(chǎn)生向內(nèi)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）。實(shí)現(xiàn)。這在消融爆聚過程中，壓縮必需的巨大壓要靠傳熱與聚心增壓兩種就要求通過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，而且在聚心壓縮過程中還應(yīng)嚴(yán)格保持高度的球?qū)ΨQ性。爆聚的對稱性導(dǎo)致下列苛刻要求：靶丸受照射的均勻性；

7、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（主要是瑞利不穩(wěn)定性）發(fā)展等。另外，的預(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) 41010 個(gè)（離子溫度約 10keV）的總體結(jié)果。束等離子體相互作用束能的吸收與吸收能量向靶的輸運(yùn)是最重要。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,仍有很多問題尚待解決。而對粒子束等離子體相互作用的研究還剛開始。激光束是在靶的較稀薄的冕區(qū)等離子體中、吸收或反射的；這一區(qū)域的電子數(shù)密度低于或等于某一臨界值

8、 nc，臨界密度由等離子體頻率與激光頻率相等的條件所決定，。吸收是通過經(jīng)典的逆軔致輻射(又稱碰撞吸收)與激發(fā)等離子體波（又稱反常吸收，包括吸收、衰變不穩(wěn)定性與離子聲湍流等）的過程而實(shí)現(xiàn)的。束能主要耦合給電子；隨后,經(jīng)過電子-離子的碰撞再加熱離子。激發(fā)等離子體波的反常吸收會產(chǎn)生能量高達(dá) 10100keV 量級的超熱電子，這些有較長射程的超熱電子對靶心的預(yù)加熱是實(shí)現(xiàn)高壓縮爆聚的嚴(yán)重。與上述吸收過程相競爭的，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，即是 2p 衰變不穩(wěn)定性(在數(shù)密度處);喇曼不穩(wěn)定性；不穩(wěn)定性，以及細(xì)絲不穩(wěn)定性。前兩種不穩(wěn)定性會產(chǎn)生非常高能(50100keV)的電子；不穩(wěn)

9、定性則引起入射激光的反射損失；而細(xì)絲不穩(wěn)定性會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)動力引起的，它反過來又會對冕區(qū)等離子體中的各種物理過程產(chǎn)生重要影響。另外，在冕區(qū)等離子體中，還觀察到自生磁場，最高可達(dá)幾兆。這種自生磁場雖不可能直接影響等離子體的流體力學(xué)行為，卻有可能對電子熱傳導(dǎo)等過程產(chǎn)生重要的作用。在波長效應(yīng)方面，已證明短波長激光能有較理想的束-靶耦合。當(dāng)激光強(qiáng)度

10、處于 1014 1015W/cm2 量級時(shí)，對于 0.53m、0.35m 的較短波長（可經(jīng)釹玻璃激光的倍頻而產(chǎn)生），吸收率可高達(dá) 8090；因?yàn)槭且阅孳愔挛諡橹饕獧C(jī)制,故只產(chǎn)生極少量的超熱電子；另外,也不易激發(fā)不穩(wěn)定性等過程。通過束-靶耦合而沉積在冕區(qū)等離子體中的熱能,通過電子熱傳導(dǎo)而傳輸?shù)矫芏雀咛幍南诿?；爆聚的效果?qiáng)烈依賴能量輸運(yùn)的速率。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬已證實(shí)，確實(shí)存在著橫向與縱向電子熱傳導(dǎo)被反常抑制的現(xiàn)象，電子熱導(dǎo)率有可能不到經(jīng)典值的二十分之一，自生磁場與等離子體不穩(wěn)定性也許是這種抑制的起因。不過，激光等離子體中的能量輸運(yùn)仍是了解甚少的重要課題。靶靶的結(jié)構(gòu)決定了束-靶耦合與爆聚物理的

11、特征，無疑是慣性約束聚變的部分。爾國靶的設(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)模擬才能完成家所編制的稱為“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，有兩類基本的靶設(shè)計(jì)模式： 直接驅(qū)動靶,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)動爆聚； X 射線驅(qū)動靶，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射線輻射；然后,再利用內(nèi)含在靶腔體中的輻射，對稱地驅(qū)動置于腔體內(nèi)的因而，這類靶也稱為非直接

12、驅(qū)動靶。球丸爆聚。在 X 射線驅(qū)動靶中,即使是利用較少路數(shù)的激光或帶電粒子束的非對稱輻照，也易獲得高度球?qū)ΨQ的爆聚。正是利用這類靶設(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 射線輻射的基礎(chǔ)研究，已證實(shí)利用短波長激光可以獲得相當(dāng)高(如 50以上)的能量轉(zhuǎn)換效率。由于這種靶的結(jié)構(gòu)和核有更密切聯(lián)系，所以 X 射線驅(qū)動靶的具體設(shè)計(jì)仍處在的階段。在不的直接驅(qū)動爆聚的研究中，已提出過多種靶設(shè)計(jì)。例如，早期的激光壓縮實(shí)驗(yàn)廣泛使用內(nèi)充低密度(10-210-3g/cm3)氘氚氣體的薄壁(壁厚揥 1m,直徑約 100m)玻璃球殼靶。在這類所謂“-推進(jìn)”型的結(jié)構(gòu)較簡單的

13、靶中，爆聚實(shí)際上是由射程與玻殼壁厚相當(dāng)?shù)某瑹犭娮铀?qū)動。這類靶不可能實(shí)現(xiàn)高密度爆聚。而能夠達(dá)到高增益、高密度爆聚的所謂消融型壓縮靶，是尺寸較大而結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)為復(fù)雜的多層復(fù)合靶，它的制造技術(shù)和工藝十分復(fù)雜。圖(見彩圖)顯示了兩種直徑為數(shù)毫米且有可能產(chǎn)生高增益微計(jì)。的慣性約束聚變靶設(shè)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，而且會產(chǎn)生密度的高溫等離子體。這些特性要求慣性約束聚變的應(yīng)有相當(dāng)寬且苛刻的參量測量范圍，附表列出了對主要物理量（等離子體密度 n、溫度T、電磁輻射的光子能量 h

14、v、粒子能量 E 及時(shí)間、空間尺度 t、x）的要求。這里的關(guān)鍵是皮(10-12)秒量級的時(shí)間分辨率、微米量級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）的測量。慣性約束靶的主要是根據(jù)它所發(fā)射的包括了從紅外、可見、紫外、直到 X 射線區(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(可見或紫外)激光束或輔助X 射線束（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）作探測束也提供了主動型的。慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)的目的是為了確定靶在爆聚全過程中的時(shí)間

15、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)移和變換過程。因而，研制并發(fā)展各種專門的分屬光學(xué)、X 射線及粒子等方面的方法或儀器（見密度高溫等離子體就是十分必要的。慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)的另一特點(diǎn)是要求在單次打靶中能使用大量儀器以盡可能取得較完備的測量數(shù)據(jù)。顯然，為了及時(shí)、準(zhǔn)確地并處理測量結(jié)果，也需要配備專門的數(shù)據(jù)自動及計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。驅(qū)動器高功率、短脈沖激光器是最先用于聚變并有最大成就的一類驅(qū)動器。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 1.05m），CO2（波長

16、 10.6m）,原子碘（波長 1.315m）與 KrF（波長 0.248m）等。迄今,絕大部分聚變實(shí)驗(yàn)是利用釹玻璃激光(1.05m 與其諧波0.53m，0.35m 和0.264132 激光完成的。這兩種激光都已有大于 10 J 和大于 10 W 的輸出能力的裝置。釹玻m)與 CO璃激光雖效率低（1）、成本高且重復(fù)率低，不能作為未來聚變堆的驅(qū)動器。然而，研究表明：較短的激光波長(1m)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 70。所以，釹玻璃激光仍然是演示原理性實(shí)驗(yàn)與模擬研究的最有效段。CO2 激光雖效率高、成本低,但波

17、長效應(yīng)仍是根本。大型激光器已采取的先進(jìn)技術(shù)，包括：像空間濾波技術(shù)，低非線性折射率光學(xué)材料（如磷酸鹽玻璃），準(zhǔn)連續(xù)主動鎖模振蕩器，全電型脈沖選擇開關(guān),大孔徑片狀放大器，大孔徑高效率頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，多光束同步，光路自動調(diào)整以及計(jì)算機(jī)控制運(yùn)行等。單束釹玻璃激光的可聚焦功率密度已超過 1017W/cm2，爾國家的稱為“NOVA”的 100kJ、100TW 量級的超大型多路釹玻璃倍頻激光系統(tǒng)即將建成。帶電粒子束作為慣性約束聚變的驅(qū)動源是基于脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)、輕離子束與重離子束聚變的計(jì)劃到 70 年代相繼出現(xiàn)。粒子束方案的優(yōu)點(diǎn)是能量大、效率高；主要的技術(shù)問題是束的傳輸、聚焦與脈沖成形。粒子束聚變是從相對論性開始的，但由于在能量沉積物理和靶設(shè)計(jì)方面的復(fù)雜性，已逐漸讓位給離子束，尤其是能從二極管稍加改變而獲得的輕離子束。質(zhì)量大、非相對論性的離子有較理想的能量沉積特性與不存在軔致輻射預(yù)加熱等優(yōu)點(diǎn)；而束流的聚焦是離子束聚變尚待解決的關(guān)鍵問題。目前正在研制的最大的輕離子束驅(qū)動器是的系統(tǒng)。國家的名為“PBFA-”(1000kJ，100TW)最終用于慣性約束聚變反應(yīng)堆的驅(qū)動器，要求高效率（約 1020）、高重復(fù)率(約1020Hz)與低成本，并應(yīng)有下述束性能，能量約 1