哈工程核学院核聚变与等离子体物理第三章1

惯性约束聚变D-T化学炸药235U238U引爆管氢弹的爆炸是利用其中心的原子弹爆炸来引爆的，在原子弹爆炸的百万分之几秒内将氢弹中的热核装料迅速压缩到高温高密度，引起燃料的聚变燃烧，这一过程进行的非常短暂，以致由于燃料本身的惯性，在它们因膨胀但还没有来得及飞散之前，大量的聚变反应已经发生，形成威力强大的热核爆炸。在氢弹中进行的聚变反应根本没有对燃料等离子体采取任何约束措施，只是依靠燃料本身的惯性保持它们没有过早的解体，这就是惯性约束核聚变。氢弹爆炸的能量无法收集利用。惯性约束聚变研究的进展在1960年激光问世不久，很快就有利用激光做聚变驱动源的想法。在1968年的第三届等离子体物理与聚变国际会议上，首次发表了激光聚变的文章。在1971年第四届出现了用电子束产生等离子体方面的论文。在1974年第五届国际会议上新增了惯性聚变分会，讨论了激光压缩加热和相对论电子压缩。美国在激光间接驱动研究方面处于领先地位，从80年代中期以来，利弗莫尔劳伦斯实验室在钕玻璃激光器NOVA上成功地进行了一系列靶物理实验，旨在研究激光靶耦合物理和内爆物理过程，证明激光聚变的科学可行性，力图实现点火和低增益燃烧。1988年，美国利用地下核试验时核爆产生的部分X射线转化为惯性约束所需的辐射能，校验了间接驱动的原理，证明了高增益激光聚变的科学可行性。另外，美国还一直利用强大的计算能力对激光聚变进行模拟实验。实验研究、计算模拟，加上理论研究使得美国在惯性约束领域已经基本掌握了各个环节的主要规律。除了美国外，其他发达国家在激光聚变上也取得了很大的进步：日本在钕玻璃激光器GEKKO－XII上用直接驱动的方式压缩靶丸，获得了600倍固体密度的高度压缩。法国的Phebus也在进行类似于NOVA的间接驱动实验。由于激光聚变事实上类似于氢弹的爆炸过程，X辐射场又类似于核武器爆炸的效果，同时激光本身就是一种武器，因此激光聚变一直受着各国特别是发达国家的强有力支持。除了改进激光器外，近年来，人们利用超短超强激光技术，提出了快点火的概念，力图在较低的驱动能量下实现点火；2001年，日本和英国科学家首次利用超短脉冲激光对“快点火”物理做了原理可行性演示，他们利用一束60TW（50J）的超短脉冲将常规的激光聚变中子产额提高了一个数量级；2002年又进一步把超短激光脉冲的能量提高到350J，从而使中子产额高了3个数量级，这两个实验的成功，使得建造廉价的ICF驱动装置在较低的能量上实现聚变“点火”的希望大增。20世纪60年代已进行用激光打氘靶出中子实验，以后主要在增大激光的能量和提高光束品质方面努力。1987年神光Ⅰ号装置建成，共有两路激光输出，每路激光800J，脉宽1ns。在神光Ⅰ装置上开展了许多高功率激光和等离子体相互作用的研究。1984年，在上海高功率激光物理联合实验实建造神光II，它有八路激光，总能量为6kJ，三倍频后的输出能量约为3kJ。中国原子能科学研究院已建成一台氟化氪分子激光装置天光I号，它共有6束激光，激光能量为100J，已用于研究短波长高功率激光和等离子体的相互作用。国内的惯性约束核聚变研究：中国的惯性聚变界在快点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国际先进水平的强场物理实验室，建成了脉宽25飞秒、峰值功率达1.4太瓦的高效率超短超强激光装置-极光I号，在高能电子的产生和传输的物理过程研究方面取得了很大的进展。中科院上海光机所的高功率激光物理国家实验室也建成了一台基于钕玻璃放大器的20TW超短脉冲系统，并已经开始了快点火实验的研究。三种热核燃烧点火方式a）激光ICF研究初期的靶物理方案设计是把劳森判据条件与燃料等离子体高温条件在时间上捆绑在一起考虑的，称为体点火方案。体点火只有简单的三个步骤，高密度压缩与高温点火在惯性迟滞开始的时刻同时实现。这种点火方式对激光驱动器能量需求很高，每一发聚变打靶大约要消耗10MJ以上的激光能量。b）1972年，美国劳伦利弗莫尔国家实验室的John.Nuckdls提出了中心点火概念，把燃料预压缩和点火步骤分开实施。按照中心点火设计，当燃料被预压缩到惯性迟滞期的起始时刻时，由特定激光整形脉冲使此前各时刻激发出不同运动速度的击波恰好同时会聚在被压缩燃料核的中心，形成中心区局部升温，达到高温条件，引发中心热斑点火燃烧。点燃的热核反应释放出大量3.5Mev的α粒子，沉积在尚未点燃的其余预压缩燃料层中，使其迅速升温，从而实现全部预压缩燃料的点火燃烧。c）1994年，M.Tabak提出了最新概念，用超强激光产生合适能量的超热电子或质子，使预压缩燃料边缘的局部区域升温，从而实现燃料点火。按照这一方案设计，用于点火及为有效点火需要在等离子体冕区打出通道的激光功率很高，但其能量仅为预压缩能量的1/20左右。这意味着，实现激光ICF增益所需的总激光能量可以下降到中心点火所需能量的约1/4，是非常吸引人的。然而，快点火设计对激光驱动器技术的发展提出了十分苛刻的新要求。这包括:高能量输出的(10-100kJ)拍瓦(1015W，PW)激光点火驱动器技术的发展；高信噪比(106-108)激光点火脉冲技术的实现；百皮秒级激光打通道技术研究；点火激光脉冲与预压缩激光脉冲的高精度时间同步(10-20ps)技术的实现等。2001年，英国卢瑟福实验室的P.Norreys与日本大阪大学R.P.Kodama等合作，在日本大阪大学Gekko-Ⅻ激光装置上利用金锥管导引百TW点火脉冲从实验上演示了快点火物理原理。2002年的实验把点火脉冲能量提升至近1PW，获得超热电子吸收40%，热核燃料区温度8百万至1千万度，中子产额由104增加到107的好结果。这两个成功的实验进一步激发了国际ICF界研究快点火物理和相关PW激光技术的热情，增强了信心。令人鼓舞的金锥管加CD壳靶快点火原理示范实验结果激光技术的出现，给人们带来了希望，1963年巴索夫和道森首先提出了可以利用激光将等离子体加热到引发热核聚变的温度。除了用激光来引发核聚变的方案外，后来又扩展到用带电粒子束来引发核聚变的方案。这些研究工作就是现在人们称作的“激光聚变”和“粒子束聚变”。在惯性约束聚变中主要过程有以下四步：加热---压缩---点火---燃烧一、获得惯性聚变能的基本原理由激光器或粒子加速器产生很强脉冲能量照射到一个含有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产生高温等离子，有一部分等离子体向外喷射，剩余部分的靶壳在向外喷射等离子体的反作用力作用下向内的聚心压缩，并在燃料的中心部分很小的体积中形成非常高温度和非常高密度的等离子体，称为热斑。在热斑中的热核反应释放出巨大能量的中子和带电粒子，带电粒子将能量沉积于最靠近热斑附近的热核燃料，加热这部分燃料，并将其点燃；接着产生从里向外的热核燃烧过程，一直把外面被压缩的、温度比热斑处低一些的燃料燃烧；这种热核燃烧的波前从里到外通过整个燃料的时间要比将燃料压缩并持续到它们飞散前所需的时间短。加热激光束射在靶壳上，很快地在靶表面上形成等离子体压缩由靶表面的物质向外喷射的反作用力将燃料压缩1、直接驱动：聚变靶丸放置在反应室的中间，激光通过窗口直接射到靶丸上。点火中心点火，中心热斑处温度达到108℃，密度达到1000倍液态D密度燃烧热核燃烧在整个压缩的燃料区中传播惯性约束核聚变与内燃机的燃料循环四步冲程的比较：（1）D-T靶丸注入爆炸室―注入燃料进入气缸；（2）消融等离子体飞散时的反作用力向心压缩D-T燃料―活塞压缩燃料混合气体；（3）被压缩到高温高密的D-T燃料首先在靶丸芯部点火燃烧―火花塞将压缩的燃料点燃；（4）热核反应能量被反应产物带走，在增值层中沉淀产生热能―燃料混合物以爆炸方式燃烧，驱动活塞和曲轴。惯性约束核聚变过程与内燃机的比较聚变靶丸放置在聚变反应室的中间，激光通过窗口入射到靶丸上，聚变反应放出大量的能量，在反应室内有一个金属壁，依靠液体金属将反应室内的能量导出，并在热交换器中把能量传递给二回路的水，液体金属被冷却后再被送回反应室，二回路的水被加热后送往蒸汽发电机。2、间接驱动将激光或粒子束的能量照射在黑洞靶的内壁（对激光）、泡沫塑料（对轻离子束）和吸收辐射体（对重粒子束），并加热这些物质到高温，发射出X射线，靶丸放置在中间位置上，激光或粒子束在转换体上产生很强的X射线，照射在靶丸上再引起靶丸表面加热、压缩、点火和燃烧。柱面高z腔壁激光束聚变靶丸入口孔高z壁聚变靶丸泡沫塑料吸收辐射体柱面高z腔壁重离子束3、惯性聚变能电站中两个重要的循环（1）功率循环驱动效率η：电能转变成激光或粒子束的能量增益G：激光或粒子束打在靶上发生聚变产生热核反应M因子：靶外物质与中子反应放出能量热电转换效率ε：热核能量转变为热能，送到发电机发电Pg：总的输出功率Pa：电站用电量，占总输出功率比例为fa（~5%）Pd：给激光和粒子束驱动器提供功率产生激光或粒子Pn：送出电站供应用的功率驱动效率η（0.05～0.35）聚变增益G（30～200）中子反应M（1.05～1.25）热电转换ε（0.30～0.40）Pn=净功率Pg=毛功率再循环功率辅助功率=faPg泵浦、光、靶工厂等Pd=驱动功率1(1)ngadgaPPPPPfGM从经济观点出发，Pn/Pg值必须大于0.75；中子反应因子M在1.05~1.25之间，热电转换效率ε在0.3~0.4之间，可知ηG值必须在10~16之间，η取决于驱动器的类型，G取决于靶的设计和射到靶上的能量；当η=0.05时，要求G=200~320，高增益靶，达到η=0.05的只有氟化氪激光、半导体泵浦的固体激光和轻重粒子束；当η=0.25时，要求G=40~60，达到η=0.25的只有轻粒子束和重离子束驱动器。ηDG=15ηDG=10ηDG=15ηDG=10ηD=0.05ηD=0.05ηD=0.2512471020100200500输入能量/MJG增益驱动器的效率愈低，为了达到ηG值的要求所要求的靶增益愈大，相应要求输入到靶上的能量愈大，驱动器的规模和造价就愈高。因此，提高驱动器效率和完善靶的设计是惯性约束聚变能电站中的主要问题。（2）靶燃料循环靶燃烧后，尚有一部分靶的碎片留在反应室内，将通过液体金属带出反应室；聚变过程中产生的大量中子通过和锂—6反应生成氚，通过特殊的造氚回路把氚提炼出来送到制靶工厂制成DT靶供聚变电站使用。4、劳逊判据14310(/)nscm对于磁约束聚变，低密度，长约束时间：等离子体密度约为1014~1016/cm3，相当于大气密度的万分之一，约束时间要求在0.01~1s的水平对于惯性约束聚变，高密度，短约束时间：依靠惯性维持，等于靶丸的解体时间约为10-9S量级，要求等离子体的密度达到1023/cm3，如果考虑驱动效率和有净能量输出，则要求更高（1023/cm3），相当于固体的104倍。所以磁约束方案是低密度、长约束运行；而惯性约束则以高密度、短约束运行；前者的困难在于获得较长的约束时间，后者的困难在于获得高密度。惯性约束的基本概念是将聚变燃料压缩到极高的密度并使之在短于惯性约束时间（即靶丸的解体时间）内完成聚变反应。所以，对于惯性约束聚变的等离子体来说，更有意义的品质因数是燃料的密度ρ和靶丸半径R的乘积。因为nmm为“D-T”粒子的质量，约为4.19×10-24g约束时间：sRvvs为等离子体中的声速，在10keV下，约为5×108cm/s于是劳逊判据可以改写为：1431431010snscmRscmmv这是实现D—T聚变的最低条件，实际上聚变条件要高得多，最佳值约为：23/Rgcm带入m和vs的数据可得：20.2/Rgcm考虑将聚变产物α粒子的能量沉积在等离子体中20.3/Rgcm5、两种约束聚变的比较1、磁约束聚变中等离子体的约束；2、惯性约束聚变中反应室的体积小，激光束或粒子束发生器和聚变反应器可以分开得比较远；3、惯性约束聚变的燃耗高；4、惯性约束聚变对时间的同步性要求高。