[科普中国]-惯性约束

惯性约束是一种实现核聚变的方法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。

简介惯性约束聚变1（inertial confinement fusion）是利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是：利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料（氘、氚）形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。由于这种核聚变是依靠等离子体粒子自身的惯性约束作用而实现的，因而称为惯性约束聚变。

基本思想利用激光或离子束作驱动源,脉冲式地提供高强度能量，均匀地作用于装填氘氚(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面,，形成高温高压等离子体,，利用反冲压力，使靶外壳极快地向心运动,压缩氘氚主燃料层到每立方厘米的几百克质量的极高密度, 并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑, 达到点火条件，驱动脉冲宽度为纳秒级，在高温高密度热核燃料来不及飞散之前, 进行充分热核燃烧，放出大量聚变能. 采用激光产生的惯性约束聚变称为激光聚变，利用激光产生驱动惯性约束聚变内爆需要的能流和压强可采用两种途径。在直接驱动中，多束激光束直接均匀辐照含有热核燃料的聚变靶丸，激光能量被靶丸外层低密度的冕区中的电子吸收，电子热传导将能量输运到靶壳的高密度区，驱动烧蚀并产生内爆。在间接驱动中，激光能量被围绕靶丸的黑腔壁物质吸收并部分转换成 X 光能量， 并被约束在黑腔内, 然后 X 光被燃料的靶丸吸收，产生烧蚀压力, 驱动内爆。

国内发展国内自 2000 年以来的激光惯性聚变(inertial confmement fusion, ICF)实验研究进展, 主要内容为神光Ⅱ激光装置上的实验, 也对刚建成不久的神光 III 原型装置上的实验作简要介绍. 在神光Ⅱ激光装置上开展了多项的物理实验研究, 进行了系列综合和分解实验, 获得的主要实验技术指标为: 黑腔峰值辐射温度超过二百万度; 辐射驱动 DT 聚变中子产额达 108和辐射驱动压缩 DD 燃料密度超过 10 倍液氘密度; 辐射不透明的样品温度接近 100 eV. 在神光 II 装置上得到这些结果表明国内在惯性约束聚变研究方面取得了显著的进步. 随着神光 III 原型装置建造的完成, 2007 年在该装置上进行了首轮物理实验, 开展了黑腔物理和辐射内爆物理实验, 首轮实验的成功说明神光Ⅲ原型装置已具备实验能力2。

关键技术爆聚将氘氚燃料压缩至超高密度所需要的巨大压力能够由激光或带电粒子束（或由它们转换成的软X射线辐射）驱动的球形爆聚而产生。下面以激光直接驱动球形靶丸为例简单描述典型的高密度爆聚的物理过程。

用多束激光球对称辐照聚变靶丸时，束能主要是在临界密度面（该处的等离子体频率与入射的激光频率相等）附近被吸收并加热电子，在靶丸周围形成稀薄的高温等离子体冕区。沉积在冕区的热能，由电子的热传导而向内传送到尚未加热的靶丸表面（又称消融面），引起靶面物质的迅速消融并向外猛烈喷射。在喷射物质的反冲力（又称消融压力）作用下，产生向内传播的球形聚心冲击波，因而压缩未被消融掉的剩余靶丸物质（即氘氚燃料）。
在消融爆聚过程中，超高压缩必需的巨大压力主要靠传热与聚心增压两种手段实现。这就要求通过束能的有效吸收与沉积能量向消融面的输运能产生足够高的消融压力，而且在聚心压缩过程中还应严格保持高度的球对称性。爆聚的对称性导致下列苛刻要求：靶丸受照射的均匀性；靶丸壳层面很高的光洁度及有效防止流体力学不稳定性（主要是瑞利－泰勒不稳定性）发展等。另外，任何形式的燃料预加热也严重妨害达到预期的高压缩。

相互作用束能的吸收与吸收能量向靶内部的输运是最重要的问题。有关激光－等离子体相互作用已经作了大量研究工作，但由于现象的复杂性，仍有很多问题尚待解决。而对粒子束－等离子体相互作用的研究还刚开始。

激光束是在靶外围的较稀薄的冕区等离子体中传播、吸收或反射的。吸收是通过经典的逆轫致辐射（又称碰撞吸收）与激发等离子体波（又称反常吸收，包括共振吸收、衰变不稳定性与离子声湍流等）的过程而实现的。束能主要耦合给电子；随后，经过电子－离子的碰撞再加热离子。激发等离子体波的反常吸收会产生能量高达10—100KeV量级的超热电子，这些有较长射程的超热电子对靶心的预加热是实现高压缩爆聚的严重障碍。

与上述吸收过程相竞争的，还可能存在几种由高强度激光所激发的等离子体不稳定性。

不稳定性会产生非常高能（50—100KeV）的电子；布里渊不稳定性则引起入射激光的反射损失；而细丝不稳定性会加剧入射激光束在强度分布上的空间不均匀性以致形成局部光强异常高的细丝通道。寻求能抑制上述等离子体不稳定性的方法已成为相互作用研究的重要内容。
在临界密度附近，等离子体密度轮廓变陡是高强度激光与等离子体相互作用中的另一非线性效应。这种变陡主要是由光波和等离子体波所产生的有质动力引起的，它反过来又会对冕区等离子体中的各种物理过程产生重要影响。另外，在冕区等离子体中，还观察到自生磁场，最高可达几兆高斯。这种自生磁场虽不可能直接影响等离子体的流体力学行为，却有可能对电子热传导等过程产生重要的作用。

在波长效应方面，已证明短波长激光能有较理想的束－靶耦合。通过束－靶耦合而沉积在冕区等离子体中的热能，通过电子热传导而传输到密度更高处的消融面；爆聚的效果强烈依赖能量输运的速率。实验与计算机模拟已证实，确实存在着横向与纵向电子热传导被反常抑制的现象，电子热导率有可能不到经典值的二十分之一，自生磁场与等离子体不稳定性也许是这种抑制的起因。不过，激光等离子体中的能量输运仍是了解甚少的重要课题。

靶靶的结构决定了束－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。

诊断应用并发展各种具有高分辨（时间、空间与能谱等）能力的等离子体诊断技术也是惯性约束聚变研究中重要的组成部分。束－靶耦合及爆聚－燃烧都是发生在极短时间、极小空间中的物理现象，而且会产生超高密度的高温等离子体。这些特性要求惯性约束聚变的诊断应有相当宽且苛刻的参量测量范围，对主要物理量（等离子体密度n、温度T、电磁辐射的光子能量hv、粒子能量E及时间、空间尺度t、x）的诊断要求。这里的关键是皮（10－12）秒量级的时间分辨率、微米量级的空间分辨率以及经压缩得到的极高粒子数密度的测量。

惯性约束靶的诊断主要是根据它所发射的包括了从红外、可见、紫外、直到X射线区域的整个波段的电磁辐射（特别是极为丰富的X射线辐射）以及高能粒子（如快电子、快离子与聚变反应产物等）的特性而进行的；另外，利用具有贯穿进高密度等离子体能力的短波长（可见或紫外）激光束或辅助X射线束（以另外布局的辅助靶上产生的高温等离子体为发射源）作探测束也提供了主动型的诊断手段。

惯性约束聚变实验的目的是为了确定靶在爆聚全过程中的时间与空间行为，尤其是在密度与温度上有很大变化的不同的区域（如靶外围的冕区、消融区及中心爆聚区等）中发生的能量转移和变换过程。因而，研制并发展各种专门的分属光学、X射线及粒子等方面的诊断方法或仪器（见超高密度高温等离子体诊断）就是十分必要的。

惯性约束聚变实验诊断的另一特点是要求在单次打靶中能使用大量诊断仪器以尽可能取得较完备的测量数据。显然，为了及时、准确地记录并处理测量结果，也需要配备专门的数据自动采集及计算机实时处理系统。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所