哈工程核學院核聚變與等離子體物理第三章1

慣性約束聚變D-T化學炸藥235U238U引爆管氫彈的爆炸是利用其中心的原子彈爆炸來引爆的，在原子彈爆炸的百萬分之幾秒內(nèi)將氫彈中的熱核裝料迅速緊縮到高溫高密度，引起燃料的聚變熄滅，這一過程進展的非常短暫，以致由于燃料本身的慣性，在它們因膨脹但還沒有來得及飛散之前，大量的聚變反響曾經(jīng)發(fā)生，構(gòu)成威力強大的熱核爆炸。在氫彈中進展的聚變反響根本沒有對燃料等離子體采取任何約束措施，只是依托燃料本身的慣性堅持它們沒有過早的解體，這就是慣性約束核聚變。氫彈爆炸的能量無法搜集利用。慣性約束聚變研討的進展在1960年激光問世不久，很快就有利用激光做聚變驅(qū)動源的想法。在1968年的第三屆等離子體物理與聚變國際會議上，初次發(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年第五屆國際會議上新增了慣性聚變分會，討論了激光緊縮加熱和相對論電子緊縮。美國在激光間接驅(qū)動研討方面處于領(lǐng)先位置，從80年代中期以來，利弗莫爾勞倫斯實驗室在釹玻璃激光器NOVA上勝利地進展了一系列靶物理實驗，旨在研討激光靶耦合物理和內(nèi)爆物理過程，證明激光聚變的科學可行性，力圖實現(xiàn)點火和低增益熄滅。1988年，美國利用地下核實驗時核爆產(chǎn)生的部分X射線轉(zhuǎn)化為慣性約束所需的輻射能，校驗了間接驅(qū)動的原理，證明了高增益激光聚變的科學可行性。另外，美國還不斷利用強大的計算才干對激光聚變進展模擬實驗。實驗研討、計算模擬，加上實際研討使得美國在慣性約束領(lǐng)域曾經(jīng)根本掌握了各個環(huán)節(jié)的主要規(guī)律。除了美國外，其他興隆國家在激光聚變上也獲得了很大的提高：日本在釹玻璃激光器GEKKO－XII上用直接驅(qū)動的方式緊縮靶丸，獲得了600倍固體密度的高度緊縮。法國的Phebus也在進展類似于NOVA的間接驅(qū)動實驗。由于激光聚變現(xiàn)實上類似于氫彈的爆炸過程，X輻射場又類似于核武器爆炸的效果，同時激光本身就是一種武器，因此激光聚變不斷受著各國特別是興隆國家的強有力支持。除了改良激光器外，近年來，人們利用超短超強激光技術(shù)，提出了快點火的概念，力圖在較低的驅(qū)動能量下實現(xiàn)點火；2001年，日本和英國科學家初次利用超短脈沖激光對“快點火〞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)額提高了一個數(shù)量級；2002年又進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個數(shù)量級，這兩個實驗的勝利，使得建造廉價的ICF驅(qū)動安裝在較低的能量上實現(xiàn)聚變“點火〞的希望大增。20世紀60年代已進展用激光打氘靶出中子實驗，以后主要在增大激光的能量和提高光束質(zhì)量方面努力。1987年神光Ⅰ號安裝建成，共有兩路激光輸出，每路激光800J，脈寬1ns。在神光Ⅰ安裝上開展了許多高功率激光和等離子體相互作用的研討。1984年，在上海高功率激光物理結(jié)合實驗實建造神光II，它有八路激光，總能量為6kJ，三倍頻后的輸出能量約為3kJ。中國原子能科學研討院已建成一臺氟化氪分子激光安裝天光I號，它共有6束激光，激光能量為100J，已用于研討短波長高功率激光和等離子體的相互作用。國內(nèi)的慣性約束核聚變研討：中國的慣性聚變界在快點火的研討中也跟上了世界的步伐：中科院物理所建立起了具有國際先進程度的強場物理實驗室，建成了脈寬25飛秒、峰值功率達1.4太瓦的高效率超短超強激光安裝-極光I號，在高能電子的產(chǎn)生和傳輸?shù)奈锢磉^程研討方面獲得了很大的進展。中科院上海光機所的高功率激光物理國家實驗室也建成了一臺基于釹玻璃放大器的20TW超短脈沖系統(tǒng)，并曾經(jīng)開場了快點火實驗的研討。三種熱核熄滅點火方式

a〕激光ICF研討初期的靶物理方案設(shè)計是把勞森判據(jù)條件與燃料等離子體高溫條件在時間上捆綁在一同思索的，稱為體點火方案。體點火只需簡單的三個步驟，高密度緊縮與高溫點火在慣性遲滯開場的時辰同時實現(xiàn)。這種點火方式對激光驅(qū)動器能量需求很高，每一發(fā)聚變打靶大約要耗費10MJ以上的激光能量。b〕1972年，美國勞倫利弗莫爾國家實驗室的John.Nuckdls提出了中心點火概念，把燃料預緊縮和點火步驟分開實施。按照中心點火設(shè)計，當燃料被預緊縮到慣性遲滯期的起始時辰時，由特定激光整形脈沖使此前各時辰激發(fā)出不同運動速度的擊波恰好同時會聚在被緊縮燃料核的中心，構(gòu)成中心區(qū)部分升溫，到達高溫條件，引發(fā)中心熱斑點火熄滅。點燃的熱核反響釋放出大量3.5Mev的α粒子，堆積在尚未點燃的其他預緊縮燃料層中，使其迅速升溫，從而實現(xiàn)全部預緊縮燃料的點火熄滅。

c〕1994年，M.Tabak提出了最新概念，用超強激光產(chǎn)生適宜能量的超熱電子或質(zhì)子，使預緊縮燃料邊緣的部分區(qū)域升溫，從而實現(xiàn)燃料點火。按照這一方案設(shè)計，用于點火及為有效點火需求在等離子體冕區(qū)打出通道的激光功率很高，但其能量僅為預緊縮能量的1/20左右。這意味著，實現(xiàn)激光ICF增益所需的總激光能量可以下降到中心點火所需能量的約1/4，是非常吸引人的。然而，快點火設(shè)計對激光驅(qū)動器技術(shù)的開展提出了非常苛刻的新要求。這包括:高能量輸出的(10-100kJ)拍瓦(1015W，PW)激光點火驅(qū)動器技術(shù)的開展；高信噪比(106-108)激光點火脈沖技術(shù)的實現(xiàn)；百皮秒級激光打通道技術(shù)研討；點火激光脈沖與預緊縮激光脈沖的高精度時間同步(10-20ps)技術(shù)的實現(xiàn)等。

2001年，英國盧瑟福實驗室的P.Norreys與日本大阪大學R.P.Kodama等協(xié)作，在日本大阪大學Gekko-Ⅻ激光安裝上利用金錐管導引百TW點火脈沖從實驗上演示了快點火物理原理。2002年的實驗把點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8百萬至1千萬度，中子產(chǎn)額由104添加到107的好結(jié)果。

這兩個勝利的實驗進一步激發(fā)了國際ICF界研討快點火物理和相關(guān)PW激光技術(shù)的熱情，加強了自信心。令人鼓舞的金錐管加CD殼靶快點火原理示范實驗結(jié)果

激光技術(shù)的出現(xiàn)，給人們帶來了希望，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。除了用激光來引發(fā)核聚變的方案外，后來又擴展到用帶電粒子束來引發(fā)核聚變的方案。這些研討任務就是如今人們稱作的“激光聚變〞和“粒子束聚變〞。在慣性約束聚變中主要過程有以下四步：加熱---緊縮---點火---熄滅一、獲得慣性聚變能的根本原理由激光器或粒子加速器產(chǎn)生很強脈沖能量照射到一個含有D-T燃料的靶丸上；靶丸的外外表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放射，剩余部分的靶殼在向外放射等離子體的反作用力作用下向內(nèi)的聚心緊縮，并在燃料的中心部分很小的體積中構(gòu)成非常高溫度和非常高密度的等離子體，稱為熱斑。在熱斑中的熱核反響釋放出宏大能量的中子和帶電粒子，帶電粒子將能量堆積于最接近熱斑附近的熱核燃料，加熱這部分燃料，并將其點燃；接著產(chǎn)生從里向外的熱核熄滅過程，不斷把外面被緊縮的、溫度比熱斑處低一些的燃料熄滅；這種熱核熄滅的波前從里到外經(jīng)過整個燃料的時間要比將燃料緊縮并繼續(xù)到它們飛散前所需的時間短。加熱激光束射在靶殼上，很快地在靶外表上構(gòu)成等離子體緊縮由靶外表的物質(zhì)向外放射的反作用力將燃料緊縮1、直接驅(qū)動：聚變靶丸放置在反響室的中間，激光經(jīng)過窗口直接射到靶丸上。點火中心點火，中心熱斑處溫度到達108℃，密度到達1000倍液態(tài)D密度熄滅熱核熄滅在整個緊縮的燃料區(qū)中傳播慣性約束核聚變與內(nèi)燃機的燃料循環(huán)四步?jīng)_程的比較：〔1〕D-T靶丸注入爆炸室―注入燃料進入氣缸；〔2〕消融等離子體飛散時的反作用力向心緊縮D-T燃料―活塞緊縮燃料混合氣體；〔3〕被緊縮到高溫高密的D-T燃料首先在靶丸芯部點火熄滅―火花塞將緊縮的燃料點燃；〔4〕熱核反響能量被反響產(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熄滅，驅(qū)動活塞和曲軸。慣性約束核聚變過程與內(nèi)燃機的比較聚變靶丸放置在聚變反響室的中間，激光經(jīng)過窗口入射到靶丸上，聚變反響放出大量的能量，在反響室內(nèi)有一個金屬壁，依托液體金屬將反響室內(nèi)的能量導出，并在熱交換器中把能量傳送給二回路的水，液體金屬被冷卻后再被送回反響室，二回路的水被加熱后送往蒸汽發(fā)電機。2、間接驅(qū)動將激光或粒子束的能量照射在黑洞靶的內(nèi)壁〔對激光〕、泡沫塑料〔對輕離子束〕和吸收輻射體〔對重粒子束〕，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)生很強的X射線，照射在靶丸上再引起靶丸外表加熱、緊縮、點火和熄滅。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重要的循環(huán)〔1〕功率循環(huán)驅(qū)動效率η：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)生熱核反響M因子：靶外物質(zhì)與中子反響放出能量熱電轉(zhuǎn)換效率ε：熱核能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，送到發(fā)電機發(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)動器提供功率產(chǎn)生激光或粒子Pn：送出電站供應用的功率驅(qū)動效率η〔0.05～0.35〕聚變增益G〔30～200〕中子反響M〔1.05～1.25〕熱電轉(zhuǎn)換ε〔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)動功率從經(jīng)濟觀念出發(fā)，Pn/Pg值必需大于0.75；中子反響因子M在1.05~1.25之間，熱電轉(zhuǎn)換效率ε在0.3~0.4之間，可知ηG值必需在10~16之間，η取決于驅(qū)動器的類型，G取決于靶的設(shè)計和射到靶上的能量；當η=0.05時，要求G=200~320，高增益靶，到達η=0.05的只需氟化氪激光、半導體泵浦的固體激光和輕重粒子束；當η=0.25時，要求G=40~60，到達η=0.25的只需輕粒子束和重離子束驅(qū)動器。ηDG=15ηDG=10ηDG=15ηDG=10ηD=0.05ηD=0.05ηD=0.2512471020100200500輸入能量/MJG增益驅(qū)動器的效率愈低，為了到達ηG值的要求所要求的靶增益愈大，相應要求輸入到靶上的能量愈大，驅(qū)動器的規(guī)模和造價就愈高。因此，提高驅(qū)動器效率和完善靶的設(shè)計是慣性約束聚變能電站中的主要問題。〔2〕靶燃料循環(huán)靶熄滅后，尚有一部分靶的碎片留在反響室內(nèi)，將經(jīng)過液體金屬帶出反響室；聚變過程中產(chǎn)生的大量中子經(jīng)過和鋰—6反響生成氚，經(jīng)過特殊的造氚回路把氚提煉出來送到制靶工廠制成DT靶供聚變電站運用。4、勞遜判據(jù)對于磁約束聚變，低密度，長約束時間：等離子體密度約為1014~1016/cm3，相當于大氣密度的萬分之一，約束時間要求在0.01~1s的程度對于慣性約束聚變，高密度，短約束時間：依托慣性維持，等于靶丸的解體時間約為10-9S量級，要求等離子體的密度到達1023/cm3，假設(shè)思索驅(qū)動效率和有凈能量輸出，那么要求更高〔1023/cm3〕，相當于固體的104倍。所以磁約束方案是低密度、長約束運轉(zhuǎn)；而慣性約束那么以高密度、短約束運轉(zhuǎn)；前者的困難在于獲得較長的約束時間，后者的困難在于獲得高密度。慣性約束的根本概念是將聚變?nèi)剂暇o縮到極高的密度并使之在短于慣性約束時間〔即靶丸的解體時間〕內(nèi)完成聚變反響。所以，對于慣性約束聚變的等離子體來說，更有意義的質(zhì)量因數(shù)是燃料的密度ρ和靶丸半徑R的乘積