[科普中国]-惯性约束聚变靶

惯性约束聚变介绍

利用驱动器提供的能量引发热核燃料产生热核聚变反应并利用物质惯性延续一段时间的方法。惯性约束聚变系统主要由驱动器、靶室、球形燃料靶丸和实验诊断设备组成。球形燃料靶丸置于靶室的中央，靶丸一般内充氘氚燃料，半径约为几百微米至毫米量级。驱动器包括高功率激光器和粒子束两大类，目前主要采用高功率激光器。激光器输出的激光脉冲要求形状和宽度可调，多路输出，各路输出的功率达到高度平衡，并具有高的瞄准精度。驱动方式主要有两种：直接驱动和间接驱动。直接驱动要求多路激光尽量均匀地辐照靶丸。间接驱动则是先将激光能量转变为软X射线能量，由后者均匀驱动内爆靶丸，故又称辐射驱动。

惯性约束聚变的基本原理是：驱动源烧蚀靶丸外壳产生内爆，引发热核反应。当靶丸的烧蚀层加热和向外面的真空膨胀时，为了保持动量守恒，其他未烧蚀的部分则向内运动。靶丸的行为宛若激光燃烧的球形火箭那样产生反向压力，驱动一系列的球形聚心冲击波会合于球心附近，将靶丸内的氘氚(DT)主燃料层内爆压缩成高密度的等离子体状态，达到液态氘氚密度的一万倍左右，中心氘氚的温度达到5～10keV左右。然后，依靠烧剩的外壳和燃料本身向内运动的惯性将这种高密度状态维持一段极短的时间。在中心局部区域实现热核点火后，由中心区域产生的热核聚变能量进一步加热外面的主燃料层，在靶丸飞散之前，使其迅速充分燃烧，释放大量的聚变能量。靶丸飞散的时间约秒的量级。氢弹也是依靠热核燃料和它周围物质的惯性将高温高密度的等离子体状态维持一段相当短的时间而实现热核点火和热核燃烧的。但是氢弹爆炸是不可控的热核聚变反应，而惯性约束聚变则是人工可控的热核聚变反应。

由于DT的聚变反应率最大，对驱动器的能量要求相对低一些，目前国际上在惯性约束聚变的研究中几乎毫无例外地将氘氚燃料作为聚变燃料。惯性约束聚变是一种可控热核聚变。如果每秒钟以5～6发的重复频率打这种靶丸，那么聚变产物携带的能量可以作为蒸汽热循环的热源，驱动一台产生1GW电力的聚变反应堆。因此，将来可以利用一系列的可控的微型热核爆炸，建造驱动源干净、安全的理想聚变电站。

然而，惯性约束聚变首先要研制大型装置，然后是如何在极短的时间内(约10～20ns)将驱动能量输送到直径约为1mm量级的非常小的燃料靶丸中去，实现热核聚变。在实验室内实现单发高增益之后，还必须解决提高驱动器效率和重复频率问题，最后才是建立聚变电站的问题。它是一项复杂的系统科学工程，研究内容包括靶物理的研究和靶丸设计；大能量、高功率、高效率的、脉冲形状和宽度可调的驱动源的研制；靶制备工艺研究；诊断测量技术的研究；以及聚变堆与聚变电站的设计和建造等2。

惯性约束聚变靶的设计惯性约束聚变靶的结构决定了束-靶耦合与爆聚物理的特征，无疑是惯性约束聚变的核心部分。靶的设计要用一维或二维流体力学编码进行大容量的计算机模拟才能完成，美国利弗莫尔国家实验室所编制的称为“LASNEX”的二维多群能量输运磁流体力学程序是最著名的靶设计编码。由于在表面光洁度、同心度、材料成分及壳层结构等方面的苛刻要求，惯性约束靶的制造与质量检测是一项涉及到高精密工艺技术的艰难课题。

在惯性约束聚变中，有两类基本的靶设计模式：①直接驱动靶，靶的外壳层在吸收了入射的激光或带电粒子束能量后，将直接驱动爆聚；②X射线驱动靶，靶在吸收了入射的激光或带电粒子束能量后，首先是将其转换成软X射线辐射；然后，再利用内含在靶腔体中的辐射，对称地驱动置于腔体内的燃料球丸爆聚。因而，这类靶也称为非直接驱动靶。在X射线驱动靶中，即使是利用较少路数的激光或带电粒子束的非对称辐照，也易获得高度球对称的爆聚。正是利用这类靶设计，实现了前述的100倍液态密度的高密度压缩。在实验上，还广泛进行了激光转换成X射线辐射的基础研究，已证实利用短波长激光可以获得相当高（如50%以上）的能量转换效率。由于这种靶的结构和核武器有更密切联系，所以X射线驱动靶的具体设计仍处在保密的阶段。在不保密的直接驱动爆聚的研究中，已提出过多种靶设计。例如，早期的激光压缩实验广泛使用内充低密度（10-2-10-3g/cm3）氘氚气体的薄壁（壁厚约1μm，直径约100μm）玻璃球壳靶。在这类所谓“爆炸-推进”型的结构较简单的靶中，爆聚实际上是由射程与玻壳壁厚相当的超热电子所驱动。这类靶不可能实现高密度爆聚。而能够达到高增益、高密度爆聚的所谓消融型压缩靶，是尺寸较大而结构远为复杂的多层复合靶，它的制造技术和工艺十分复杂。

惯性约束聚变靶材料惯性约束聚变靶材料研究包括：(1)靶丸材料，涉及到氘代有机材料、各种掺杂材料(如梯度材料、化学或物理掺杂材料、高强度靶丸壳材料)、氢同位素低渗透率有机材料、可悬浮式壳材料、靶丸壳泡沫材料等。(2)热核燃料，包括不同性质的DT混合气体、固体燃料、金属氢、自旋极化的单原子聚变材料以及其它新型聚变燃料。(3)反应堆材料，主要是指第一壁材料，即抗辐射(中子、γ射线)损伤、低活度的新型防护材料。(4)激光吸收、X光转换材料，如纳米复合与混合材料以及其它新型激光、X光吸收转换材料等。(5)特殊效应模拟的材料，如LiH和BeH2低密度微结构及其新型替换材料等。(6)装配材料及靶制备工艺材料，重点是研究各种高强度的微细薄膜的支撑丝、支撑膜(包括碳纤维、蜘蛛丝(spider)、网状纤维(webs)、聚乙烯醇缩甲醛和氯醋聚乙烯醇三元共聚物(formvar)、C8H8、聚酯(mylar)等)；低Z、低密度、高强度装配胶(如生物胶、泡沫装配胶等)以及各种靶丸、空腔的芯轴材料。(7)基础、基准物理实验靶材料，主要研究各种功能薄膜(如多层薄膜、梯度功能材料、凝胶薄膜)、结构材料、腔填充材料(密度≤3mg/cm3有机气凝胶)以及状态方程研究中的特殊规格、特殊结构材料等3。

惯性约束聚变靶制备技术与工艺制靶技术与工艺的关键环节中，由于靶物理实验对微靶的尺度、工艺指标、加工精度要求很高，因此，需要研究特殊工艺的特殊加工方法。这些工艺和加工涉及到的内容有：

(1)靶丸制备技术和工艺，包括玻璃、塑料(PS)，Be及B4C等材料球壳制备，多层球(如CxHyRz/PVA/PS，Al/PS/CxHyRz/SiO2，Al/SiO2，BeD2/PVA/SiO2/DT冰等)技术及工艺；椭球以及非球形靶丸；雕刻和埋点靶丸以及燃料和诊断气体充气工艺研究。

(2)精密微加工技术和工艺，主要有微型柱腔靶成形加工、金属球壳、非金属球壳加工、微孔加工、台阶靶、调制靶、埋点靶加工，以及扫描隧道显微镜(STM)微加工。这些技术和工艺涉及到芯轴制备的超精密机械加工、外壳制备的电镀、真空镀膜以及光刻等内容。尤其是超精密加工将包括精密切削(车、铣)、超精密磨削、超精密研磨(机械研磨、机械化学研磨、研抛、外接能式浮动研磨、弹性发射加工等)、复合超精密加工(超精密振动切削、电解超精密加工)以及超精密微细加工(电子束、离子束、激光束、X射线蚀刻等)。

(3)低温靶技术及工艺，包括直接和间接驱动冷冻靶的均匀液体、固体燃料层的原理和技术；高压充气装置；以及打靶耦合系统的研究。

(4)装配工艺，以研制各种微靶的装配技术和工艺为主，并开展自动、半自动装配台以及智能化微机器手研究和放射性材料装配技术、靶物理实验中的激光打靶精确定位与瞄准系统研究工作。这些研究内容一部分是现有的普通加工设备和技术所不能完成的，有很大一部分属于亚微米、甚至纳米的工艺制备技术3。

惯性约束聚变靶丸按靶物理设计的要求，激光聚变靶的热核燃料容器必须具有高球形度、高表面光洁度、高抗张力强度、均匀性好且能在较长时间内保存住热核燃料等性能。要制备出符合上述特性的燃料容器，需要发展专门的制备技术和方法1。

惯性约束聚变中包容氘氚(DT)热核燃料的微型小球。基本结构为外面一层固体外壳，由玻璃、金属或塑料组成，作为烧蚀层和推进层；里面一层是燃料层，由氘氚冰或其他含氘氚的材料组成；最里面充以氘氚气体。聚变能量即由氘氚燃料产生。

惯性约束聚变靶丸根据研究工作的需要可以有各种不同类型的结构和不同的尺寸，在靶物理研究中最常用的是玻璃或塑料壳内充氘氚气体的靶丸。目前美国NOVA激光装置上进行的实验所用的靶丸多数是塑料壳靶丸，其外半径尺寸约为0.5mm左右，外壳厚度约为几十微米，内充氘氚气体。另外有一种冷冻靶丸，是将氘氚燃料均匀冷冻在外壳内表面上，可以提高内爆氘氚压缩密度，这种靶丸多用于实现点火和能量增益。还有一种是多层靶丸，由多层不同材料构成的外壳，内充以氘氚燃料。直接驱动靶一般只由靶丸构成，间接驱动靶构造比较复杂，里面是靶丸，外面有一个重金属(一般为金)圆柱(或其他形状)黑腔，目的是使激光高效率地转换成X光。黑腔使辐射不至跑掉，并通过辐射输运将X光改造为平衡谱。靶丸的研制是一项高技术，需要有高精密加工和测试诊断技术，需要高精密的金刚石车床等高精密的设备4。