[科普中国]-惯性约束聚变

简介

在地球上实现受控热核聚变反应, 将可能为人类提供丰富、经济、安全的能源. 惯性约束聚变(ICF)是实现受控热核聚变很有希望的途径之一, 它是通过内爆对热核燃料进行压缩, 使其达到高温高密度，在内爆运动过程中惯性约束下实验热核点火和燃烧,从而获取聚变能的方法. 激光聚变是用激光作为驱动源的. ICF 领域研究工作的开展无论对国民经济、军事应用, 还是对于基础研究探索都有着重要而特殊的意义。ICF 早已成为当代重大而难度大的国际高科技研究课题, 为了演示点火和聚变燃烧, 世界各地都在进行兆焦耳激光器拍瓦激光器高重复率能量驱动器的运转和建造, 美国于 2009 年建成国家点火装置(NIF)2, 法国正在加紧建造兆焦激光装置(LMJ)。

惯性约束聚变的基本思想ICF 的基本思想是3: 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(离子温度 Ti>5 keV, 燃料的面密度ρRhs>0.3 g/cm2), 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高 Z 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。

我国惯性约束聚变的发展国内自 2000 年以来的激光惯性聚变(inertial confmement fusion, ICF)实验研究进展3, 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.

惯性约束聚变的理论根据与技术原理理论根据在惯性约束聚变中4，劳孙条件以靶丸的质量密度ρ与半径R的乘积ρR来表示（在磁约束中，劳孙条件通常以粒子数密度n和约束时间τ的乘积nτ表示）。惯性约束的劳孙条件是ρR>1克/厘米2或10千克/米2。惯性约束聚变靶丸能量增益因子Q定义成核聚变释放的能量En和驱动器提供靶丸的热能Ei之比：Q=En/Ei，它是衡量聚变释放的能量相对于驱动器提供的能量大小的一个重要参数。Q=1表示能量“得失相当”的条件。能量增益因子Q与ρR之间的关系由靶的燃烧百分比FB（靶丸内产生聚变的离子数占靶丸离子总数的百分数）来建立。在电子和离子温度相同并为10千电子伏时，Q≈300FB，其中：FB=ρR/[ 60(千克/米2)+ρR]

由上式可知，如果增加等离子体密度，就可增加燃烧百分比，即可提高能量增益。靶丸半径增加，也可提高增益，但驱动器的能量必须相应增加。

惯性约束的时间(τ)正比于以声速(сs)前进的稀疏波，从靶球（半径为R）边缘传播至中心所耗费的时间，亦即τ=R/4сs。在惯性约束聚变中，常以质量密度ρ与半径的积ρR替代磁约束中的劳孙数nτ。热核燃烧的燃耗（指氘氚燃料经聚变反应而“烧掉”的比例）依赖于ρR的取值。

在惯性约束聚变中，约束由聚变物质的惯性所提供，聚变反应必须在等离子体以高速（约108cm/s）从反应区飞散前的短暂时间（约10－10—10－11s）内完成。所以是一种以短脉冲方式运行的受控核聚变。
通常是采用聚焦的强激光束或高能的带电粒子（电子、轻离子或重离子）束，作为加热与压缩燃料靶丸的驱动器。所以，又可以将惯性约束聚变分为激光聚变和粒子束（电子、轻离子或重离子束）聚变。
惯性约束聚变研究的长远目标是建成聚变电站，探索受控热核新能源；因其能够产生与核武器中心相近的高能量密度状态，所以又有着较近期的军事上的应用目标，这是指在实验室中研究核武器物理并模拟核爆炸效应；另外，惯性约束聚变形成的高压、高温的物质状态，也能为这些极端条件下的物性研究提供可能。
早在1952年，就已成功地将惯性约束的方式应用于氢弹的热核爆炸；然而，利用激光或带电粒子束照射燃料靶丸而实现惯性约束聚变的建议，是到60年代初激光问世后才提出的。随后，由于调Q脉冲激光器的出现，开始了激光聚变的研究。在开始的前10年，还只是停留在简单地用激光提高物质的温度以达到产生核聚变反应的条件；1968年，苏联列别捷夫研究所的Η.巴索夫等首次报道从氘化锂平面型靶上获得了中子。直到1972年，美国利弗莫尔国家实验室的J.纳科尔斯等公开发表了高密度爆聚的理论，重点于是转向多束激光辐照微球靶的高压缩爆聚实验；激光聚变研究的规模也相应有了相当大的扩充。另外，在脉冲功率技术发展的基础上，70年代后又相继开始了相对论性电子束、轻离子束与重离子束聚变的研究。不过，与激光聚变已达到的水平相比较，它们都还处在发展的初期。
解决惯性约束聚变的科学现实性问题是以达到科学上的得失相当（即靶增益G=输出的聚变能/输入的驱动器能=1）并进一步实现高增益的聚变微爆为标志的。而建立实用性的热核反应堆则需要在此基础上进一步解决下述三项关键性的工程技术问题：即发展高效率、高重复率与低成本的高能驱动器；制造经济上有竞争能力的反应器（包括解决脉冲式强辐射引起的周期性疲劳与应力问题）以及建立实用的制靶工厂。
当前，惯性约束聚变仍处在研究有关的物理问题和验证科学原理的阶段。近期的目标是达到燃料的点火与科学上的得失相当。而关键性的点火－得失相当的实验还有待于更大型的驱动器投入使用与更先进的靶丸研制成功。

技术原理激光技术的发展为实现受控热核聚变提供了条件 ，现代激光技术能产生聚焦良好的能量巨大的脉冲光束。采用多路高强脉冲激光对称地集射到球形氘氚靶丸上使之加热 ，表面消融为高温等离子体，高速喷射出来产生强大的反冲力，挤压靶芯，使之温度和密度急骤升高而发生聚变。除了采用激光束外，也可采用电子束或离子束。

在进行磁约束研究的同时，20世纪60年代以来，由于激光的出现，在受控聚变的领域出现了惯性约束聚变。

聚变能最先是通过惯性约束，在氢弹中大量产生的。在氢弹中，引爆用的原子弹所产生的高温高压，使氢弹中的聚变燃料依靠惯性挤压在一起，在飞散之前产生大量聚变。但是氢弹爆炸时，每次释放的能量太大，使得人类难以利用。如果不是用原子弹，而是用其他办法，有节奏地引爆一个个微型氢弹，就能够得到连续的能量供应。这种理想，在20世纪60年代激光问世以后，就有了实现的可能性。

为了加大激光引爆的效率，一般是对称地布置多路激光，同时照射直径1毫米左右的氘、氚实心或空心小丸。在十亿分之几秒的时间里，激光被靶丸吸收，周围形成几千万摄氏度的高温等离子体组成的冕区，发出比太阳耀眼得多的光芒，使靶丸大部分外层靶材受热向外喷射，由于反冲力形成的聚心冲击波，将靶芯千百倍地压缩，并产生上亿度的高温。依靠聚心压缩的惯性，靶芯在尚未来得及分散前发生聚变。

惯性约束聚变的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。

激光爆聚的实验结果已分别取得了将氘氚压缩至液态密度100倍（离子温度约500eV，压力约1010atm）与经氘氚热核反应产生的中子数最高达4×1010个（离子温度约10KeV）的总体结果。

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。当激光强度处于1014—1015W/cm2量级时，对于0.53μm、0.35μm的较短波长（可经钕玻璃激光的倍频而产生），吸收率可高达80%—90%；因为是以逆轫致吸收为主要机制，故只产生极少量的超热电子；另外，也不易激发布里渊不稳定性等过程。

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；
② X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（壁厚揥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。彩图（右）显示了两种直径为数毫米且有可能产生高增益微爆炸的惯性约束聚变靶设计。

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（最高可达1026cm－3量级）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。

驱动器高功率、短脉冲激光器是最先用于聚变并有最大成就的一类驱动器。在时间与空间上的高度集中能力与可调节的性能，以及传输上的方便都是激光所特有的优点。最重要的激光系统是钕玻璃（波长1.05μm），CO2（波长10.6μm），原子碘（波长1.315μm）与KrF（波长0.248μm）等。

迄今，绝大部分聚变实验是利用钕玻璃激光（1.05μm与其谐波0.53μm，0.35μm和0.26μm）与CO2激光完成的。这两种激光都已有大于104J和大于1013W的输出能力的装置。钕玻璃激光虽效率低（