核聚變與等離子體物理 第三章4

1、慣性約束聚變慣性約束聚變Inertial Confinement Fusion靶丸的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)一、靶丸設(shè)計(jì)的一般要求 ICF靶丸的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極其復(fù)雜和困難的任務(wù)，目前ICF靶丸的設(shè)計(jì)有兩大類型：p一類叫直接驅(qū)動型，有較長的發(fā)展歷史并有大量的文獻(xiàn)報(bào)道；p另一類叫間接驅(qū)動型，因與核武器設(shè)計(jì)有關(guān)，處于保密狀態(tài)。 雖然靶丸設(shè)計(jì)因?qū)嶒?yàn)?zāi)康牟煌兴町?，但一般來說，對慣性約束聚變靶丸要求如下：（1）其中必須含有毫克級的D-T燃料，以保證產(chǎn)生足夠的核聚變反應(yīng)。這些靶丸聚變爆炸產(chǎn)生的沖擊波的破壞作用有限，完全在可控的范圍內(nèi)。（2）靶丸要有合適的大小，直徑大約在毫米量級。由于驅(qū)動束的能量限制，靶丸不能太大，靶

2、丸越大需要的驅(qū)動束的能量越高。由于束流聚焦的限制，靶丸不能太小，若靶丸很小，而束流焦斑比較大時，大部分束流就會白白浪費(fèi)。希望聚變反應(yīng)產(chǎn)生的帶點(diǎn)粒子能對等離子體進(jìn)行自加熱，要求靶丸的半徑要大于粒子的射程，靶丸不能太小。（3）靶丸的構(gòu)造有利于束流的能量沉積和容易得到高的能量增益。靶丸應(yīng)是完全球形且具有多層結(jié)構(gòu)，每一層的厚度要均勻，各層要高度同心，靶丸表面必須有很高的光潔度，靶丸材料中能產(chǎn)生長壽命的放射性同位素的核素應(yīng)盡量少等。這些因素中有些相互制約，因此制備比較令人滿意的靶丸需進(jìn)行各因素的綜合平衡。（4）從將來的聚變堆應(yīng)用考慮，靶丸的生產(chǎn)工藝還應(yīng)該簡單，價格要便宜，還要易于操作和儲存。 另外，現(xiàn)在

3、人們對ICF的各種物理過程了解得并不很清楚，多數(shù)過程的物理學(xué)圖像還沒有建立起來，對在極高溫度、極高壓力和極高密度下，物質(zhì)又會出現(xiàn)怎樣的特性也還缺乏足夠的了解，這些都對靶丸的設(shè)計(jì)有重大的影響。 研制和生產(chǎn)符合上述要求的靶丸，會涉及到多種學(xué)科和許多高精度技術(shù)，如需要開發(fā)微加工技術(shù)、中空小球的制造技術(shù)、多種涂層技術(shù)和低溫靶丸技術(shù)等。二、靶丸設(shè)計(jì)的制約因素1、多層殼結(jié)構(gòu)n 最早使用的靶是平面靶，就是由某種材料構(gòu)成的平板，使用它來進(jìn)行驅(qū)動器和靶物質(zhì)相互作用的研究。n 較早使用的球形靶為玻璃球殼靶，它是在玻璃殼中充以D-T氣體構(gòu)成的。n 為了提高驅(qū)動束能量的吸收效率，產(chǎn)生穩(wěn)定的聚爆，抑制超熱電子的產(chǎn)生、提

4、高聚爆速度等，靶丸通常設(shè)計(jì)成多層結(jié)構(gòu)。 消融靶丸示意圖（1）消融層 使用低Z的輕材料（如聚乙烯、聚四氟乙烯、LiH和Be等），作用是充分吸收束流熱能，減少X射線和高能電子的產(chǎn)生，以便減少對燃料靶心的預(yù)熱。 當(dāng)束流打在靶丸的表面時，大部分能量將被消融層吸收，消融層吸收能量后迅速爆炸而產(chǎn)生等離子體，等離子體急劇膨脹產(chǎn)生壓縮沖擊波向內(nèi)壓縮和加熱里面的推進(jìn)層。（2）推進(jìn)層 由高原子序數(shù)、高密度材料所組成，其作用為：使靶丸結(jié)構(gòu)具有一定的剛性以便在常溫下盛裝初始的氣體燃料；聚爆時對里面的燃料起屏蔽作用，進(jìn)一步減少X射線和高能電子對燃料的預(yù)熱；可以使燃料加熱均勻，從而改善壓縮，向內(nèi)會聚產(chǎn)生聚爆動能，提高聚爆

5、效率；在燃料燃燒期間，作為反射層使燃料得到更長時間的約束。 在某些設(shè)計(jì)中第一推進(jìn)層里面還有第二推進(jìn)層，兩層之間用真空、氣體或泡沫塑料隔開，這種雙層推進(jìn)器的設(shè)計(jì)有可能使聚爆速度倍增。 根據(jù)動量守恒和能量守恒：1 11 1222221 11 122111222mumum umumum u式中 和 分別表示外、內(nèi)推進(jìn)器碰撞后的速度。1u2u 由以上兩式可以求得內(nèi)推進(jìn)器碰撞后速度和能量轉(zhuǎn)移效率：21 11222221 112212211224 umummm umum mmm 設(shè)m1/m2=1,2,4,8，由以上結(jié)果可求得m2的速度倍增和能量轉(zhuǎn)移效率分別為1,4/3,8/5,16/9和1,8/9,16/

6、25,32/81。 雖然內(nèi)、外推進(jìn)器的碰撞不可能是完全的彈性碰撞，但可以看出，采取這樣內(nèi)、外推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)可使內(nèi)層的速度增加，在兩層之間充入氣體或加入塑料，也是為了使碰撞過程得以光滑的進(jìn)行。 研究表明，如果靶丸的聚爆是不對稱的，那將嚴(yán)重影響內(nèi)層速度倍增和能量轉(zhuǎn)移效率，而且還有其它更嚴(yán)重的危害。（3）燃料層 可以是D-T氣體，也可以是冷卻在推進(jìn)層內(nèi)壁上的D-T混合物。當(dāng)推進(jìn)層受熱爆炸噴射時，D-T燃料被高度壓縮和加熱，發(fā)生聚變?nèi)紵?靶丸的最里層是空心的。研究認(rèn)為，使用空心靶比用實(shí)心靶能使燃料得到更大的壓縮。2、燃料的裝載和R值在設(shè)計(jì)中，人們希望燃料的燃燒率達(dá)到30%50%，比能量產(chǎn)額達(dá)340MJ

7、/mg，因此一個靶丸應(yīng)能產(chǎn)生100MJ的能量產(chǎn)額（這是堆用要求的指標(biāo)），那么靶丸中大概需要有1mg的DT裝料。要想得到較高的燃燒率，燃料應(yīng)達(dá)到較高的R值和靶丸應(yīng)具有其他較好的特性。 R值越大，燃料燃燒就越充分。進(jìn)行有效的熱核燃燒，燃料的R值應(yīng)在0.33g/cm2之間，較大的R值意味著要對靶丸進(jìn)行高度的壓縮。3、中心火花塞（點(diǎn)火器）n 靶丸中的燃料并不是一下子全部聚變?nèi)紵饋?，因沖擊波在靶丸中心會聚，首先使中心的“火花塞”的密度R值達(dá)0.33g/cm2以上、溫度達(dá)到5keV以上的聚變條件，率先點(diǎn)火燃燒。n 火花塞的質(zhì)量僅占燃料的一小部分（10%），率先點(diǎn)燃的優(yōu)越性在于能降低對驅(qū)動器能量和點(diǎn)火溫度

8、的要求。n 其作用就像一個點(diǎn)火器，點(diǎn)燃后，其聚變產(chǎn)物在周圍燃料中的能量沉積，進(jìn)一步將四周的燃料點(diǎn)燃，形成一個由內(nèi)向外傳播的球形熱核燃燒波。4、驅(qū)動器脈沖形狀和沖擊波序列為了對燃料進(jìn)行等熵的、高密度的壓縮，需要一系列強(qiáng)度逐漸增大的沖擊波，并且還要對它們在時間上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)制，以便它們在達(dá)到最大壓縮的時刻能同時到達(dá)靶丸中心。 一般來說，驅(qū)動器脈沖波形在開始時刻要低功率，脈沖的尾部要求高功率使脈沖最后達(dá)到坍塌。V1V0VP0P1PP1=H(V1，P0，V0)，H曲線P1=P(V，S)，絕熱曲線 PV曲線下面的面積表示壓縮氣體所需要的功，H曲線位于絕熱線之上，這意味著通過一次沖擊波壓縮比絕熱（等熵）壓

9、縮需要做更多的功。沖擊波越強(qiáng)， H曲線偏離絕熱曲線越遠(yuǎn)，則沖擊波壓縮需作更多的功。這就是說強(qiáng)沖擊波進(jìn)行壓縮是不合算的。 另外系統(tǒng)的熵隨沖擊波的強(qiáng)度做對數(shù)增加，在弱沖擊波條件下，壓縮幾乎是等熵的，即101 0 pSp ，u研究表明，對于球形的向中心匯聚的沖擊波，一次壓縮能產(chǎn)生30多倍的壓縮比，即密度增大30多倍。u若繼續(xù)采用這種方式使燃料經(jīng)過多次沖擊波的壓縮，就能達(dá)到越來越高的密度以達(dá)到熱核燃料燃燒的條件。u同時，從前面的結(jié)果可以知道，強(qiáng)沖擊波壓縮是不等熵的，但卻能大大地提高燃料的溫度，表明簡單的強(qiáng)沖擊波更適用于熱斑的點(diǎn)火。n 于是可以產(chǎn)生一連串強(qiáng)度越來越大的沖擊波，同時在時間上調(diào)節(jié)使它們在達(dá)到

10、熱斑之前，后繼的波不會超越前面的波，后面的追趕前面的，而且同時在靶芯會聚。n 這就要求對應(yīng)的驅(qū)動器脈沖幅度逐漸上升并均勻地沉積在靶丸表面上。n 但實(shí)現(xiàn)起來還有很大難度。P時間t /ns功率功率 /TW00.20.40.60.81.00 1.75 2.5 3.75 5.0 6.75 7.5時間 /ns5、聚爆速度和驅(qū)動器能量沉積 假設(shè)燃料在較低的溫度（keV）下燃燒，那么燃料離子的熱速度約為3107cm/s，這是靶殼聚爆應(yīng)具有的速度，驅(qū)動器大約要在靶丸中沉積20MJ/g的比能量。 假設(shè)消融體以大約相等于聚爆的速度噴射，于是所需的驅(qū)動器的輸入能量是：220MJ g4DER 式中是驅(qū)動器粒子在靶物質(zhì)

11、中的射程，是吸收物區(qū)物質(zhì)的密度。對求解得：2420MJ g20MJ gPIR 式中P為驅(qū)動器脈沖的平均功率，為脈沖長度，I為平均功率密度。有效的聚爆功率密度I要近似達(dá)到1014W/cm2，約為20ns，這樣約為100mg/cm2。 這一數(shù)值大致與輕粒子和重離子在冷物質(zhì)中的射程相當(dāng)。短波長的激光也可以達(dá)到這一數(shù)值。6、瑞利泰勒不穩(wěn)定性的限制n 在聚爆期間，較輕的燃料層和外圍的較重的護(hù)持層之間的界面，很可能發(fā)生瑞利泰勒不穩(wěn)定性。將可能破壞穩(wěn)定的壓縮，降低聚爆效率，甚至使點(diǎn)火熄滅。n 初步分析認(rèn)為，薄靶、殼界面間存在大密度差、大加速度和短波長擾動最易發(fā)生不穩(wěn)定性。n 因此，在設(shè)計(jì)時靶丸的縱橫比要小一

12、些；盡量避免高密度殼層與低密度殼層的直接接觸，在他們之間可以加一過渡層來減少密度梯度等。7、防止燃料的預(yù)熱l 驅(qū)動器打靶時，燃料的任何預(yù)熱都將降低聚爆效率和壓縮所能達(dá)到的峰值，最終降低靶丸的能量增益。希望壓縮過程是等熵的，且在最終的坍塌之前燃料應(yīng)保持相對冷的狀態(tài)。l 預(yù)熱是由于驅(qū)動器束流在靶外層產(chǎn)生的超熱電子或X射線的直接沉積，或者是聚爆沖擊波對燃料的過早加熱。l 為了避免預(yù)熱，要設(shè)法將燃料屏蔽起來，使之與輻射隔開。措施是包圍燃料的護(hù)持層要有適當(dāng)?shù)暮穸龋蛘呤遣捎脙?nèi)、外護(hù)持層。三、某些特殊靶的設(shè)計(jì) 一種中空的球體，由單層薄玻璃殼和殼內(nèi)充約30個大氣壓的低密度的D-T氣體組成。玻璃微球靶丸1、玻

13、璃微球靶（爆炸推進(jìn)器靶）典型的玻璃微球靶丸的聚爆動力學(xué)為：u驅(qū)動束入射在靶丸上，在脈沖初期逆韌致吸收是其主要的加熱機(jī)制。u整個玻璃殼的迅速受熱膨脹產(chǎn)生大量的低Z冕，導(dǎo)致共振吸收的增強(qiáng)，于是有大量的熱電子發(fā)生。u熱電子和超熱電子被阻滯于玻璃殼中，而能量更高的電子可以貫穿整個靶丸透射出去。u為了得到最佳的中子產(chǎn)額，要求驅(qū)動器脈沖能在殼爆炸發(fā)生前上升到峰值，以便產(chǎn)生一個超前于它的強(qiáng)大的沖擊波進(jìn)入D-T燃料中進(jìn)行加熱和壓縮。u產(chǎn)生的熱電子提供大量的能量去驅(qū)動玻璃殼聚爆。激光入射產(chǎn)生超熱電子靶殼爆炸，一半向外，一半向內(nèi)D-T燃料壓縮、加熱到聚變條件，點(diǎn)火燃料，燃料波在整個靶中傳播 玻璃微球靶對驅(qū)動器脈沖

14、并不十分苛刻：脈沖無需特地成形，照明無需嚴(yán)格對稱，靶丸本身也不一定要有太高的制作精度，因此這種靶丸比較容易生產(chǎn)。它們的聚爆特性能完全使用X射線、離子和中子診斷技術(shù)來進(jìn)行全面的研究。 它對研究驅(qū)動束流同靶物質(zhì)的相互作用、熱電子的輸運(yùn)禁阻、快電子的產(chǎn)生和輸運(yùn)、聚爆動力學(xué)等，都是非常重要的。缺點(diǎn)：（1）不能對燃料進(jìn)行有效的壓縮；（2）激光在靶中的吸收效率低，只有1/4的吸收能變成有用的功。 于是，進(jìn)一步設(shè)計(jì)高增益的靶丸就勢在必行了。2、高增益聚變靶丸 高增益靶丸一般具有多層結(jié)構(gòu)，其最外層是由低Z物質(zhì)構(gòu)成的消融層，中間層是由高Z物質(zhì)構(gòu)成的推進(jìn)層，再里面才是燃料層。 這類多殼層靶適用于高能量、高功率密度

15、的驅(qū)動器，又因驅(qū)動器的不同而有所差異。（1）激光聚變靶丸 最外層是LiH消融層，TaCOH組成推進(jìn)層，再里面是懸浮的D-T燃料層（縱橫比為35）。 消融層與推進(jìn)層物質(zhì)的密度大體上相當(dāng)，有助于避免流體力學(xué)不穩(wěn)定性。 推進(jìn)層是浸漬了高Z物質(zhì)的塑料（TaCOH），它對電子有較強(qiáng)的阻止本領(lǐng)。 最里面懸浮著一個含有D-T燃料的小的金包囊，這就是中央點(diǎn)火器或“火花塞”。 在外推進(jìn)層和內(nèi)推進(jìn)層之間用真空、充氣或填充泡沫塑料隔開。激光聚變靶丸這種靶丸的聚爆動力學(xué)為： 激光在LiH消融層中被吸收，將外推進(jìn)層和外燃料層向中心聚爆，并將點(diǎn)火器壓縮、加熱到點(diǎn)火條件。點(diǎn)火器外面的金包層，能阻止激光產(chǎn)生的超熱電子和外燃料

16、層中產(chǎn)生的X射線，從而降低中心點(diǎn)火器的點(diǎn)火溫度。點(diǎn)火器燃燒后，燃燒波再進(jìn)一步加熱已擠壓在其周圍的外層D-T燃料。優(yōu)點(diǎn)： 這種有雙層推進(jìn)器且有中心點(diǎn)火器的靶丸，將大大改善其聚爆性能，有中心點(diǎn)火器就允許初始沖擊波的速度低一些，殼層間的速度倍增又允許外殼以較低的速度聚爆。這種靶丸將使激光能得到高效的利用和產(chǎn)生很高的增益。這種靶丸的問題：外層燃料和點(diǎn)火器的金包殼在聚爆過程中可能會發(fā)生混合；多殼層靶的制造在技術(shù)上很復(fù)雜：各殼層要求均勻、同心，殼層間的支撐（采用薄片或輻條）要考慮流體力學(xué)不穩(wěn)定性的要求，表面拋光、中心點(diǎn)火器的金包囊懸浮等，都有很高的技術(shù)難度。（2）離子束靶丸 靶殼是由Pb組成的護(hù)持層 ，

17、一 個 低 密 的 塑 料（TaCOH）推進(jìn)器（消融器）和一層凍結(jié)的D-T燃料層相鄰，以減少推進(jìn)層和燃料層之間的密度差，靶的縱橫比是10。聚爆過程為： 驅(qū)動粒子束打在靶上，由于離子能量沉積存在Bragg峰，它們將被Pb護(hù)持層和TaCOH推進(jìn)器所阻止。 Pb殼的作用是作慣性緩沖以改進(jìn)聚爆效率。 推進(jìn)器驅(qū)動燃料向中心聚爆，大部分燃料基本上沿著等熵線壓縮。燃料內(nèi)緣最初降壓進(jìn)入中空部分直至達(dá)到中心，接著它被反射回來與大部分燃料碰撞再被反射回中心。 多次反射結(jié)果將燃料內(nèi)層（只占全部燃料的一小部分）等熵壓縮，然后全部燃料被壓縮直至中央部分點(diǎn)火。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，比多殼靶易于生產(chǎn)；低密度推進(jìn)器可以更好的抑制流

18、體力學(xué)不穩(wěn)定性，從而改善推進(jìn)器和燃料的混合問題；由于粒子束的能量轉(zhuǎn)換效率較高（約25%），以幾MJ的輸入能，得到約100倍的能量增益是相當(dāng)不錯的。為達(dá)到同樣的射程，較重的離子必須有較高的輸入能。3、黑洞靶（空腔靶）由來： 對于直接驅(qū)動方式，即驅(qū)動束直接輻照在靶丸表面引起靶殼燒蝕消融產(chǎn)生聚爆壓縮，這種驅(qū)動方式驅(qū)動束的能量利用效率低，難以得到很高的壓縮比。 直接驅(qū)動對束流輻照的對稱性和均勻性要求很高，這在技術(shù)上有很多困難，于是出現(xiàn)了間接驅(qū)動方式。 具有雙殼層的靶球，在靶球的外殼上開幾個孔，驅(qū)動束從小孔中打入球內(nèi)，內(nèi)球中封裝DT燃料。工作原理為： 當(dāng)驅(qū)動束（如激光）通過外殼上的小孔打入球內(nèi)后，首先在外殼的內(nèi)壁上被吸收，產(chǎn)生X光和等離子體。這些X射線和等離子體由于受到黑洞結(jié)構(gòu)的約束，充滿了內(nèi)外球之間的空間。 它們在兩個球面之間不斷遭到反射并與腔壁作用，其中有一部分通過入射孔逃逸出去。X光和等離子體與腔壁的作用最終導(dǎo)致內(nèi)球的聚爆，同時腔內(nèi)形成一個由內(nèi)向外傳播的沖擊波，當(dāng)該沖擊波傳播到腔的外壁時，黑洞靶即告解體。優(yōu)點(diǎn)： 輻照的均勻