[科普中国]-惯性约束聚变反应堆

开发聚变能的途径

为了克服轻核之间的排斥力，需要把它们加热到几亿度的高温，轻核间才能有较大的聚变反应概率。此时燃料以物质第四态——等离子体形态存在。此外，要把这种等离子体足够长时间地封闭在反应器中，才能产生足够的聚变能量，使之在补偿为创造此条件所投入的能量后，有净的能量输出。约束等离子体原则上有两种途径： 磁约束和惯性约束2。

磁约束聚变为了不使高温等离子体与器壁碰撞而损失能量，用磁场将等离子体约束起来，离子将绕磁力线作螺旋运动。聚变产物中的带电粒子受到磁场的约束，其能量将沉积在等离子体中，使等离子体通过辐射、传导等损失的能量得到补充， 从而维持所需的温度。被中子携带的能量将逸出等离子体，在聚变反应区外厚几十厘米的包层中沉积，经载热剂带去，由此得到可利用的聚变能2。

惯性约束聚变用多路大功率激光束(或离子束)同时照射氘-氚靶丸。靶丸外层迅速吸收能量形成薄的等离子体层，表面材料蒸发形成的聚心反冲力将靶丸压缩至比固态高1000倍以上的密度，并使中心达到聚变要求的高温;聚变产生的α粒子能量又加热靶丸中心周围的氘和氚，聚变反应向外传播;依靠聚心压缩的惯性，在燃料尚未飞散前产生足够多的聚变反应以得到净的能量输出。

用以驱动靶丸引发聚变的高能激光束或粒子束称为驱动束(driver)。要求深入研究靶丸聚爆物理、束与靶的能量耦合物理，发展驱动束与靶丸制作的技术。惯性约束聚变堆要求靶丸能量增益G达到50～100，驱动束效率η和G的乘积η×G达到10以上。这里G定义为聚变所释放出的能量与驱动束能量之比;η为产生的驱动束能量与输入的电能之比2。

惯性约束聚变研究历史惯性约束聚变在技术上要比裂变堆复杂得多。第一座示范裂变反应堆建成后，花了20年的时间就建成了商用核电站；但建造惯性约束聚变示范反应堆得花许多年3。

在惯性约束途径方面，自70年代初着手研究，对聚爆物理已有深入的认识，建造、运行了较大规模的实验装置，在驱动束照射均匀度和研制高度对称的靶丸方面取得显著进展。达到的驱动束能量约100kJ，聚爆的超高密度约为固体密度的600倍， 靶丸能量增益G为0.2%。实验要取得实质性进展，要求研制MJ级的驱动束，G达到12。

从七十年代初期开始时，惯性约束聚变的目标就是在实验室获得高产额(100~1000MJ)的微聚变能力，为国防和民用服务。这就需要从约10MJ驱动器驱动性聚变靶中获得高增益(输出的聚变能量与输入的驱动能量之比)。1986年，国家科学院的一个委员会经过长达一年的工作，完成了惯性控制聚变计划评审4。

大幅度地提高经济上的竞争力是聚变能开发的重要任务。预计目前设计的聚变电厂，其建造费用将比裂变电厂的高得多。聚变-裂变混合堆由于能为经济性良好的裂变堆生产燃料和嬗变处置核废料， 有可能较早实现聚变能的利用， 以后过渡到纯聚变电站2。

惯性约束聚变基本原理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1。

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1。

惯性约束聚变靶丸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5。

惯性约束聚变研究面临挑战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1。

惯性约束聚变反应堆应用国防应用惯性约束聚变实验释放100~1000MJ的热核能量，可在小范围内产生与热核武器产生的条件相似的实验室条件。尽管这些惯性约束聚变实验不能对付对热核武器来说非常重要的全部问题，但它们在与武器研究和核强化与生存力估价有关的许多领域中，对其基本认识和预见能力确会作出贡献。在可控实验室条件下，高温高密度区对核物理、原子物理、等离子体物理和辐射物理等许多方面极有价值，为第二代和第三代热核武器设计提供基础识。进行这种实验的能力将发展我们的知识，犹如催化剂，为发明服务。这种能力有助于吸引新的人才进入这个研究领域，这对国家安全也很重要。

惯性约束聚变反应堆约以每秒一个脉冲工作，可用来产生特殊核武器用的材料(如Pu，T)，其生产费用仅需常规裂变反应堆的1/2到1/3。聚变比裂变固有的优点是，它可在单位热能里产生更多的中子。在生产为核武器贮备的这些材料方面，其好处明显地与日俱增。实验室微聚变设施可用作检验工程试验反应堆的反应室设计，第一层壁材料的设计和材料再生区的设计。单脉冲实验将确定在这种反应堆中将会具有的脉冲速率，并检验这种应用的经济效益4。

民用项目惯性约束聚变的一个主要民用项目就是将其建成一种丰富、经济、无环境污染的电源，这是世界上有核国家都从事惯性可控聚变的主要原因。在这种研究中，实验室微聚变设施必不可少。在获得高增益后，作为驱动能量函数的增益曲线便根据各种靶的设计、照明的几何条件和驱动脉冲的形状来确定。这一应用要求以最小驱动能量获得高增益。用于国防应用的同一实验室微聚变设施将为我们提供进行反应堆技术必要实验的能力。除了产生动力，惯性约束聚变反应堆的裂变燃料生产、同位素生产、空间推进和空间动力生产等方面具有长远的潜在优点4。