哈工程核學(xué)院核聚變與等離子體物理1

1、慣性約束聚變D-T化學(xué)炸藥235U238U引爆管氫彈的爆炸是利用其中心的原子彈爆炸來(lái)引爆的，在原子彈爆炸的百萬(wàn)分之幾秒內(nèi)將氫彈中的熱核裝料迅速壓縮到高溫高密度，引起燃料的聚變?nèi)紵?，這一過(guò)程進(jìn)行的非常短暫，以致由于燃料本身的慣性，在它們因膨脹但還沒(méi)有來(lái)得及飛散之前，大量的聚變反應(yīng)已經(jīng)發(fā)生，形成威力強(qiáng)大的熱核爆炸。在氫彈中進(jìn)行的聚變反應(yīng)根本沒(méi)有對(duì)燃料等離子體采取任何約束措施，只是依靠燃料本身的慣性保持它們沒(méi)有過(guò)早的解體，這就是慣性約束核聚變。氫彈爆炸的能量無(wú)法收集利用。慣性約束聚變研究的進(jìn)展在1960年激光問(wèn)世不久，很快就有利用激光做聚變驅(qū)動(dòng)源的想法。在1968年的第三屆等離子體物理與聚變國(guó)際會(huì)議

2、上，首次發(fā)表了激光聚變的文章。在1971年第四屆出現(xiàn)了用電子束產(chǎn)生等離子體方面的論文。在1974年第五屆國(guó)際會(huì)議上新增了慣性聚變分會(huì)，討論了激光壓縮加熱和相對(duì)論電子壓縮。美國(guó)在激光間接驅(qū)動(dòng)研究方面處于領(lǐng)先地位，從80年代中期以來(lái)，利弗莫爾勞倫斯實(shí)驗(yàn)室在釹玻璃激光器NOVA上成功地進(jìn)行了一系列靶物理實(shí)驗(yàn)，旨在研究激光靶耦合物理和內(nèi)爆物理過(guò)程，證明激光聚變的科學(xué)可行性，力圖實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和低增益燃燒。1988年，美國(guó)利用地下核試驗(yàn)時(shí)核爆產(chǎn)生的部分X射線轉(zhuǎn)化為慣性約束所需的輻射能，校驗(yàn)了間接驅(qū)動(dòng)的原理，證明了高增益激光聚變的科學(xué)可行性。另外，美國(guó)還一直利用強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)激光聚變進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究、計(jì)

3、算模擬，加上理論研究使得美國(guó)在慣性約束領(lǐng)域已經(jīng)基本掌握了各個(gè)環(huán)節(jié)的主要規(guī)律。除了美國(guó)外，其他發(fā)達(dá)國(guó)家在激光聚變上也取得了很大的進(jìn)步：日本在釹玻璃激光器GEKKOXII上用直接驅(qū)動(dòng)的方式壓縮靶丸，獲得了600倍固體密度的高度壓縮。法國(guó)的Phebus也在進(jìn)行類(lèi)似于NOVA的間接驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。 由于激光聚變事實(shí)上類(lèi)似于氫彈的爆炸過(guò)程，X輻射場(chǎng)又類(lèi)似于核武器爆炸的效果，同時(shí)激光本身就是一種武器，因此激光聚變一直受著各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家的強(qiáng)有力支持。除了改進(jìn)激光器外，近年來(lái)，人們利用超短超強(qiáng)激光技術(shù)，提出了快點(diǎn)火的概念，力圖在較低的驅(qū)動(dòng)能量下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火；2001年，日本和英國(guó)科學(xué)家首次利用超短脈沖激光對(duì)“快點(diǎn)火

4、”物理做了原理可行性演示，他們利用一束60TW（50J）的超短脈沖將常規(guī)的激光聚變中子產(chǎn)額提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)；2002年又進(jìn)一步把超短激光脈沖的能量提高到350J，從而使中子產(chǎn)額高了3個(gè)數(shù)量級(jí)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功，使得建造廉價(jià)的ICF驅(qū)動(dòng)裝置在較低的能量上實(shí)現(xiàn)聚變“點(diǎn)火”的希望大增。20世紀(jì)60年代已進(jìn)行用激光打氘靶出中子實(shí)驗(yàn)，以后主要在增大激光的能量和提高光束品質(zhì)方面努力。1987年神光號(hào)裝置建成，共有兩路激光輸出，每路激光800J，脈寬1ns。在神光裝置上開(kāi)展了許多高功率激光和等離子體相互作用的研究。1984年，在上海高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)實(shí)建造神光II，它有八路激光，總能量為6kJ，三倍頻后

5、的輸出能量約為3kJ。中國(guó)原子能科學(xué)研究院已建成一臺(tái)氟化氪分子激光裝置天光I號(hào)，它共有6束激光，激光能量為100J，已用于研究短波長(zhǎng)高功率激光和等離子體的相互作用。國(guó)內(nèi)的慣性約束核聚變研究： 中國(guó)的慣性聚變界在快點(diǎn)火的研究中也跟上了世界的步伐：中科院物理所建立起了具有國(guó)際先進(jìn)水平的強(qiáng)場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)室，建成了脈寬25飛秒、峰值功率達(dá)1.4太瓦的高效率超短超強(qiáng)激光裝置-極光I號(hào)，在高能電子的產(chǎn)生和傳輸?shù)奈锢磉^(guò)程研究方面取得了很大的進(jìn)展。中科院上海光機(jī)所的高功率激光物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也建成了一臺(tái)基于釹玻璃放大器的20TW超短脈沖系統(tǒng)，并已經(jīng)開(kāi)始了快點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)的研究。三種熱核燃燒點(diǎn)火方式 a） 激光ICF研究初

6、期的靶物理方案設(shè)計(jì)是把勞森判據(jù)條件與燃料等離子體高溫條件在時(shí)間上捆綁在一起考慮的，稱(chēng)為體點(diǎn)火方案。體點(diǎn)火只有簡(jiǎn)單的三個(gè)步驟，高密度壓縮與高溫點(diǎn)火在慣性遲滯開(kāi)始的時(shí)刻同時(shí)實(shí)現(xiàn)。這種點(diǎn)火方式對(duì)激光驅(qū)動(dòng)器能量需求很高，每一發(fā)聚變打靶大約要消耗10MJ以上的激光能量。 b）1972年，美國(guó)勞倫利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的John.Nuckdls提出了中心點(diǎn)火概念，把燃料預(yù)壓縮和點(diǎn)火步驟分開(kāi)實(shí)施。 按照中心點(diǎn)火設(shè)計(jì)，當(dāng)燃料被預(yù)壓縮到慣性遲滯期的起始時(shí)刻時(shí)，由特定激光整形脈沖使此前各時(shí)刻激發(fā)出不同運(yùn)動(dòng)速度的擊波恰好同時(shí)會(huì)聚在被壓縮燃料核的中心，形成中心區(qū)局部升溫，達(dá)到高溫條件，引發(fā)中心熱斑點(diǎn)火燃燒。 點(diǎn)燃的熱核反

7、應(yīng)釋放出大量3.5Mev的粒子，沉積在尚未點(diǎn)燃的其余預(yù)壓縮燃料層中，使其迅速升溫，從而實(shí)現(xiàn)全部預(yù)壓縮燃料的點(diǎn)火燃燒。 c）1994年，M.Tabak提出了最新概念，用超強(qiáng)激光產(chǎn)生合適能量的超熱電子或質(zhì)子，使預(yù)壓縮燃料邊緣的局部區(qū)域升溫，從而實(shí)現(xiàn)燃料點(diǎn)火。 按照這一方案設(shè)計(jì)，用于點(diǎn)火及為有效點(diǎn)火需要在等離子體冕區(qū)打出通道的激光功率很高，但其能量?jī)H為預(yù)壓縮能量的1/20左右。 這意味著，實(shí)現(xiàn)激光ICF增益所需的總激光能量可以下降到中心點(diǎn)火所需能量的約1/4，是非常吸引人的。然而，快點(diǎn)火設(shè)計(jì)對(duì)激光驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的發(fā)展提出了十分苛刻的新要求。這包括:高能量輸出的 (10-100kJ)拍瓦(1015W，PW

8、)激光點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的發(fā)展；高信噪比(106-108 )激光點(diǎn)火脈沖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)；百皮秒級(jí)激光打通道技術(shù)研究；點(diǎn)火激光脈沖與預(yù)壓縮激光脈沖的高精度時(shí)間同步(10-20ps)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)等。 2001年，英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室的P.Norreys與日本大阪大學(xué)R.P.Kodama等合作，在日本大阪大學(xué)Gekko-激光裝置上利用金錐管導(dǎo)引百TW點(diǎn)火脈沖從實(shí)驗(yàn)上演示了快點(diǎn)火物理原理。 2002年 的實(shí)驗(yàn)把點(diǎn)火脈沖能量提升至近1PW，獲得超熱電子吸收40%，熱核燃料區(qū)溫度8百萬(wàn)至 1千萬(wàn)度，中子產(chǎn)額由104增加到107 的好結(jié)果。 這兩個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步激發(fā)了國(guó)際ICF界研究快點(diǎn)火物理和相關(guān)PW激光技術(shù)的熱情，

9、增強(qiáng)了信心。令人鼓舞的金錐管加CD殼靶快點(diǎn)火原理示范實(shí)驗(yàn)結(jié)果激光技術(shù)的出現(xiàn)，給人們帶來(lái)了希望，1963年巴索夫和道森首先提出了可以利用激光將等離子體加熱到引發(fā)熱核聚變的溫度。除了用激光來(lái)引發(fā)核聚變的方案外，后來(lái)又?jǐn)U展到用帶電粒子束來(lái)引發(fā)核聚變的方案。這些研究工作就是現(xiàn)在人們稱(chēng)作的“激光聚變”和“粒子束聚變”。在慣性約束聚變中主要過(guò)程有以下四步： 加熱-壓縮-點(diǎn)火-燃燒一、獲得慣性聚變能的基本原理由激光器或粒子加速器產(chǎn)生很強(qiáng)脈沖能量照射到一個(gè)含有D-T燃料的靶丸上；靶丸的外表面吸收了激光或粒子束的能量后產(chǎn)生高溫等離子，有一部分等離子體向外噴射，剩余部分的靶殼在向外噴射等離子體的反作用力作用下向內(nèi)

10、的聚心壓縮，并在燃料的中心部分很小的體積中形成非常高溫度和非常高密度的等離子體，稱(chēng)為熱斑。在熱斑中的熱核反應(yīng)釋放出巨大能量的中子和帶電粒子，帶電粒子將能量沉積于最靠近熱斑附近的熱核燃料，加熱這部分燃料，并將其點(diǎn)燃；接著產(chǎn)生從里向外的熱核燃燒過(guò)程，一直把外面被壓縮的、溫度比熱斑處低一些的燃料燃燒；這種熱核燃燒的波前從里到外通過(guò)整個(gè)燃料的時(shí)間要比將燃料壓縮并持續(xù)到它們飛散前所需的時(shí)間短。加熱激光束射在靶殼上，很快地在靶表面上形成等離子體壓縮由靶表面的物質(zhì)向外噴射的反作用力將燃料壓縮1、直接驅(qū)動(dòng)： 聚變靶丸放置在反應(yīng)室的中間， 激光通過(guò)窗口直接射到靶丸上。點(diǎn)火中心點(diǎn)火，中心熱斑處溫度達(dá)到108 ，密

11、度達(dá)到1000倍液態(tài)D密度燃燒熱核燃燒在整個(gè)壓縮的燃料區(qū)中傳播 慣性約束核聚變與內(nèi)燃機(jī)的燃料循環(huán)四步?jīng)_程的比較：（1）D-T靶丸注入爆炸室注入燃料進(jìn)入氣缸；（2）消融等離子體飛散時(shí)的反作用力向心壓縮D-T燃料 活塞壓縮燃料混合氣體；（3）被壓縮到高溫高密的D-T燃料首先在靶丸芯部點(diǎn)火燃燒 火花塞將壓縮的燃料點(diǎn)燃；（4）熱核反應(yīng)能量被反應(yīng)產(chǎn)物帶走，在增值層中沉淀產(chǎn)生熱能燃料混合物以爆炸方式燃燒，驅(qū)動(dòng)活塞和曲軸。慣性約束核聚變過(guò)程與內(nèi)燃機(jī)的比較 聚變靶丸放置在聚變反應(yīng)室的中間，激光通過(guò)窗口入射到靶丸上，聚變反應(yīng)放出大量的能量，在反應(yīng)室內(nèi)有一個(gè)金屬壁，依靠液體金屬將反應(yīng)室內(nèi)的能量導(dǎo)出，并在熱交換器中

12、把能量傳遞給二回路的水，液體金屬被冷卻后再被送回反應(yīng)室，二回路的水被加熱后送往蒸汽發(fā)電機(jī)。2、間接驅(qū)動(dòng) 將激光或粒子束的能量照射在黑洞靶的內(nèi)壁（對(duì)激光）、泡沫塑料（對(duì)輕離子束）和吸收輻射體（對(duì)重粒子束），并加熱這些物質(zhì)到高溫，發(fā)射出X射線，靶丸放置在中間位置上，激光或粒子束在轉(zhuǎn)換體上產(chǎn)生很強(qiáng)的X射線，照射在靶丸上再引起靶丸表面加熱、壓縮、點(diǎn)火和燃燒。柱面高z腔壁激光束聚變靶丸入口孔高z壁聚變靶丸泡沫塑料吸收輻射體柱面高z腔壁重離子束3、慣性聚變能電站中兩個(gè)重要的循環(huán)（1）功率循環(huán)驅(qū)動(dòng)效率：電能轉(zhuǎn)變成激光或粒子束的能量增益G：激光或粒子束打在靶上發(fā)生聚變產(chǎn)生 熱核反應(yīng)M因子：靶外物質(zhì)與中子反應(yīng)放

13、出能量熱電轉(zhuǎn)換效率：熱核能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，送到發(fā) 電機(jī)發(fā)電Pg：總的輸出功率Pa：電站用電量，占總輸出功率比例為fa（5%）Pd：給激光和粒子束驅(qū)動(dòng)器提供功率產(chǎn)生激光 或粒子Pn：送出電站供應(yīng)用的功率驅(qū)動(dòng)效率（0.05 0.35）聚變?cè)鲆鍳（30 200）中子反應(yīng)M（1.05 1.25）熱電轉(zhuǎn)換（0.30 0.40）Pn=凈功率Pg=毛功率再循環(huán)功率輔助功率=faPg泵浦、光、靶工廠等Pd=驅(qū)動(dòng)功率從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，Pn/Pg值必須大于0.75；中子反應(yīng)因子M在1.051.25之間，熱電轉(zhuǎn)換效率在0.30.4之間，可知G值必須在1016之間， 取決于驅(qū)動(dòng)器的類(lèi)型，G取決于靶的設(shè)計(jì)和射到靶上的能量；

14、當(dāng)=0.05時(shí)，要求G=200320，高增益靶，達(dá)到=0.05的只有氟化氪激光、半導(dǎo)體泵浦的固體激光和輕重粒子束；當(dāng)=0.25時(shí)，要求G=4060，達(dá)到=0.25的只有輕粒子束和重離子束驅(qū)動(dòng)器。DG=15DG=10DG=15DG=10D=0.05D=0.05D=0.2512471020100200500輸入能量/MJG增益 驅(qū)動(dòng)器的效率愈低，為了達(dá)到G值的要求所要求的靶增益愈大，相應(yīng)要求輸入到靶上的能量愈大，驅(qū)動(dòng)器的規(guī)模和造價(jià)就愈高。因此，提高驅(qū)動(dòng)器效率和完善靶的設(shè)計(jì)是慣性約束聚變能電站中的主要問(wèn)題。（2）靶燃料循環(huán)靶燃燒后，尚有一部分靶的碎片留在反應(yīng)室內(nèi)，將通過(guò)液體金屬帶出反應(yīng)室；聚變過(guò)程中

15、產(chǎn)生的大量中子通過(guò)和鋰6反應(yīng)生成氚，通過(guò)特殊的造氚回路把氚提煉出來(lái)送到制靶工廠制成DT靶供聚變電站使用。4、勞遜判據(jù) 對(duì)于磁約束聚變，低密度，長(zhǎng)約束時(shí)間：等離子體密度約為10141016/cm3，相當(dāng)于大氣密度的萬(wàn)分之一，約束時(shí)間要求在0.011s的水平 對(duì)于慣性約束聚變，高密度，短約束時(shí)間：依靠慣性維持，等于靶丸的解體時(shí)間約為10-9S量級(jí)，要求等離子體的密度達(dá)到1023/cm3，如果考慮驅(qū)動(dòng)效率和有凈能量輸出，則要求更高（1023/cm3 ），相當(dāng)于固體的104倍。 所以磁約束方案是低密度、長(zhǎng)約束運(yùn)行；而慣性約束則以高密度、短約束運(yùn)行；前者的困難在于獲得較長(zhǎng)的約束時(shí)間，后者的困難在于獲得高密度。 慣性約束的基本概念是將聚變?nèi)剂蠅嚎s到極高的密度并使之在短于慣性約束時(shí)間（即靶丸的解體時(shí)間）內(nèi)完成聚變反應(yīng)。所以，對(duì)于慣性約束聚變的等離子體來(lái)說(shuō)，更有意義的品質(zhì)因數(shù)是燃料的密度和靶丸半徑R的