慣性約束聚變

慣性約束聚變（inertial confinement fusion）是利用粒子的慣性作用來約束粒子本身，從而實現核聚變反應的一種方法。其基本思想是：利用驅動器提供的能量使靶丸中的核聚變燃料（氘、氚）形成電漿，在這些電漿粒子由於自身慣性作用還來不及向四周飛散的極短時間內，通過向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態，從而發生核聚變反應。由於這種核聚變是依靠電漿粒子自身的慣性約束作用而實現的，因而稱為慣性約束聚變。詳細介紹了其理論依據以及技術原理、實現慣性約束聚變的關鍵技術以及在我國的發展狀況。

基本介紹

• 中文名：慣性約束聚變
• 外文名：inertial confinement fusion 
• 英文簡稱：ICF
• 中文別稱：靶丸聚變
• 目的：實現受控核聚變
• 領域：核能

簡介

在地球上實現受控熱核聚變反應, 將可能為人類提供豐富、經濟、安全的能源. 慣性約束聚變(ICF)是實現受控熱核聚變很有希望的途徑之一, 它是通過內爆對熱核燃料進行壓縮, 使其達到高溫高密度，在內爆運動過程中慣性約束下實驗熱核點火和燃燒,從而獲取聚變能的方法. 雷射聚變是用雷射作為驅動源的. ICF 領域研究工作的開展無論對國民經濟、軍事套用, 還是對於基礎研究探索都有著重要而特殊的意義。ICF 早已成為當代重大而難度大的國際高科技研究課題, 為了演示點火和聚變燃燒, 世界各地都在進行兆焦耳雷射器拍瓦雷射器高重複率能量驅動器的運轉和建造, 美國於 2009 年建成國家點火裝置(NIF), 法國正在加緊建造兆焦雷射裝置(LMJ)。

慣性約束聚變的基本思想

ICF 的基本思想是: 利用雷射或離子束作驅動源,脈衝式地提供高強度能量,均勻地作用於裝填氘氚(DT)燃料的微型球狀靶丸外殼表面, 形成高溫高壓電漿, 利用反衝壓力, 使靶外殼極快地向心運動,壓縮氘氚主燃料層到每立方厘米的幾百克質量的極高密度, 並使局部氘氚區域形成高溫高密度熱斑, 達到點火條件(離子溫度 Ti>5 keV, 燃料的面密度ρR_hs>0.3 g/cm²), 驅動脈衝寬度為納秒級, 在高溫高密度熱核燃料來不及飛散之前, 進行充分熱核燃燒, 放出大量聚變能. 採用雷射產生的慣性約束聚變稱為雷射聚變. 利用雷射產生驅動慣性約束聚變內爆需要的能流和壓強可採用兩種途徑。在直接驅動中,多束雷射束直接均勻輻照含有熱核燃料的聚變靶丸,雷射能量被靶丸外層低密度的冕區中的電子吸收,電子熱傳導將能量輸運到靶殼的高密度區, 驅動燒蝕並產生內爆. 在間接驅動中, 雷射能量被圍繞靶丸的黑腔壁高 Z 物質吸收並部分轉換成 X 光能量, 並被約束在黑腔內, 然後 X 光被燃料的靶丸吸收, 產生燒蝕壓力, 驅動內爆。

我國慣性約束聚變的發展

國內自 2000 年以來的雷射慣性聚變(inertial confmement fusion, ICF)實驗研究進展, 主要內容為神光Ⅱ雷射裝置上的實驗, 也對剛建成不久的神光 III 原型裝置上的實驗作簡要介紹. 在神光Ⅱ雷射裝置上開展了多項的物理實驗研究, 進行了系列綜合和分解實驗, 獲得的主要實驗技術指標為: 黑腔峰值輻射溫度超過二百萬度; 輻射驅動 DT 聚變中子產額達 10⁸和輻射驅動壓縮 DD 燃料密度超過 10 倍液氘密度; 輻射不透明的樣品溫度接近 100 eV. 在神光 II 裝置上得到這些結果表明國內在慣性約束聚變研究方面取得了顯著的進步. 隨著神光 III 原型裝置建造的完成, 2007 年在該裝置上進行了首輪物理實驗, 開展了黑腔物理和輻射內爆物理實驗, 首輪實驗的成功說明神光Ⅲ原型裝置已具備實驗能力.

慣性約束聚變的理論根據與技術原理

理論根據

在慣性約束聚變中，勞孫條件以靶丸的質量密度ρ與半徑R的乘積ρR來表示（在磁約束中，勞孫條件通常以粒子數密度n和約束時間τ的乘積nτ表示）。慣性約束的勞孫條件是ρR>1克/厘米²或10千克/米²。慣性約束聚變靶丸能量增益因子Q定義成核聚變釋放的能量E_n和驅動器提供靶丸的熱能E_i之比：Q=E_n/E_i，它是衡量聚變釋放的能量相對於驅動器提供的能量大小的一個重要參數。Q=1表示能量“得失相當”的條件。能量增益因子Q與ρR之間的關係由靶的燃燒百分比F_B（靶丸內產生聚變的離子數占靶丸離子總數的百分數）來建立。在電子和離子溫度相同並為10千電子伏時，Q≈300F_B，其中：F_B=ρR/[ 60(千克/米²)+ρR]

慣性約束聚變

由上式可知，如果增加電漿密度，就可增加燃燒百分比，即可提高能量增益。靶丸半徑增加，也可提高增益，但驅動器的能量必須相應增加。

慣性約束的時間(τ)正比於以聲速(с_s)前進的稀疏波，從靶球（半徑為R）邊緣傳播至中心所耗費的時間，亦即τ=R/4с_s。在慣性約束聚變中，常以質量密度ρ與半徑的積ρR替代磁約束中的勞孫數nτ。熱核燃燒的燃耗（指氘氚燃料經聚變反應而“燒掉”的比例）依賴於ρR的取值。

在慣性約束聚變中，約束由聚變物質的慣性所提供，聚變反應必須在電漿以高速（約10⁸cm/s）從反應區飛散前的短暫時間（約10^－10—10^－11s）內完成。所以是一種以短脈衝方式運行的受控核聚變。
通常是採用聚焦的強雷射束或高能的帶電粒子（電子、輕離子或重離子）束，作為加熱與壓縮燃料靶丸的驅動器。所以，又可以將慣性約束聚變分為雷射聚變和粒子束（電子、輕離子或重離子束）聚變。
慣性約束聚變研究的長遠目標是建成聚變電站，探索受控熱核新能源；因其能夠產生與核武器中心相近的高能量密度狀態，所以又有著較近期的軍事上的套用目標，這是指在實驗室中研究核武器物理並模擬核爆炸效應；另外，慣性約束聚變形成的高壓、高溫的物質狀態，也能為這些極端條件下的物性研究提供可能。
早在1952年，就已成功地將慣性約束的方式套用於氫彈的熱核爆炸；然而，利用雷射或帶電粒子束照射燃料靶丸而實現慣性約束聚變的建議，是到60年代初雷射問世後才提出的。隨後，由於調Q脈衝雷射器的出現，開始了雷射聚變的研究。在開始的前10年，還只是停留在簡單地用雷射提高物質的溫度以達到產生核聚變反應的條件；1968年，蘇聯列別捷夫研究所的Η.巴索夫等首次報導從氘化鋰平面型靶上獲得了中子。直到1972年，美國利弗莫爾國家實驗室的J.納科爾斯等公開發表了高密度爆聚的理論，重點於是轉向多束雷射輻照微球靶的高壓縮爆聚實驗；雷射聚變研究的規模也相應有了相當大的擴充。另外，在脈衝功率技術發展的基礎上，70年代後又相繼開始了相對論性電子束、輕離子束與重離子束聚變的研究。不過，與雷射聚變已達到的水平相比較，它們都還處在發展的初期。
解決慣性約束聚變的科學現實性問題是以達到科學上的得失相當（即靶增益G=輸出的聚變能/輸入的驅動器能=1）並進一步實現高增益的聚變微爆為標誌的。而建立實用性的熱核反應堆則需要在此基礎上進一步解決下述三項關鍵性的工程技術問題：即發展高效率、高重複率與低成本的高能驅動器；製造經濟上有競爭能力的反應器（包括解決脈衝式強輻射引起的周期性疲勞與應力問題）以及建立實用的制靶工廠。
當前，慣性約束聚變仍處在研究有關的物理問題和驗證科學原理的階段。近期的目標是達到燃料的點火與科學上的得失相當。而關鍵性的點火－得失相當的實驗還有待於更大型的驅動器投入使用與更先進的靶丸研製成功。

技術原理

雷射技術的發展為實現受控熱核聚變提供了條件 ，現代雷射技術能產生聚焦良好的能量巨大的脈衝光束。採用多路高強脈衝雷射對稱地集射到球形氘氚靶丸上使之加熱 ，表面消融為高溫電漿，高速噴射出來產生強大的反衝力，擠壓靶芯，使之溫度和密度急驟升高而發生聚變。除了採用雷射束外，也可採用電子束或離子束。

慣性約束聚變

在進行磁約束研究的同時，20世紀60年代以來，由於雷射的出現，在受控聚變的領域出現了慣性約束聚變。

聚變能最先是通過慣性約束，在氫彈中大量產生的。在氫彈中，引爆用的核子彈所產生的高溫高壓，使氫彈中的聚變燃料依靠慣性擠壓在一起，在飛散之前產生大量聚變。但是氫彈爆炸時，每次釋放的能量太大，使得人類難以利用。如果不是用核子彈，而是用其他辦法，有節奏地引爆一個個微型氫彈，就能夠得到連續的能量供應。這種理想，在20世紀60年代雷射問世以後，就有了實現的可能性。

為了加大雷射引爆的效率，一般是對稱地布置多路雷射，同時照射直徑1毫米左右的氘、氚實心或空心小丸。在十億分之幾秒的時間裡，雷射被靶丸吸收，周圍形成幾千萬攝氏度的高溫電漿組成的冕區，發出比太陽耀眼得多的光芒，使靶丸大部分外層靶材受熱向外噴射，由於反衝力形成的聚心衝擊波，將靶芯千百倍地壓縮，並產生上億度的高溫。依靠聚心壓縮的慣性，靶芯在尚未來得及分散前發生聚變。

慣性約束聚變的關鍵技術

爆聚

將氘氚燃料壓縮至超高密度所需要的巨大壓力能夠由雷射或帶電粒子束（或由它們轉換成的軟X射線輻射）驅動的球形爆聚而產生。下面以雷射直接驅動球形靶丸為例簡單描述典型的高密度爆聚的物理過程。

慣性約束聚變

用多束雷射球對稱輻照聚變靶丸時，束能主要是在臨界密度面（該處的電漿頻率與入射的雷射頻率相等）附近被吸收並加熱電子，在靶丸周圍形成稀薄的高溫電漿冕區。沉積在冕區的熱能，由電子的熱傳導而向內傳送到尚未加熱的靶丸表面（又稱消融面），引起靶面物質的迅速消融並向外猛烈噴射。在噴射物質的反衝力（又稱消融壓力）作用下，產生向內傳播的球形聚心衝擊波，因而壓縮未被消融掉的剩餘靶丸物質（即氘氚燃料）。
在消融爆聚過程中，超高壓縮必需的巨大壓力主要靠傳熱與聚心增壓兩種手段實現。這就要求通過束能的有效吸收與沉積能量向消融面的輸運能產生足夠高的消融壓力，而且在聚心壓縮過程中還應嚴格保持高度的球對稱性。爆聚的對稱性導致下列苛刻要求：靶丸受照射的均勻性；靶丸殼層面很高的光潔度及有效防止流體力學不穩定性（主要是瑞利－泰勒不穩定性）發展等。另外，任何形式的燃料預加熱也嚴重妨害達到預期的高壓縮。

雷射爆聚的實驗結果已分別取得了將氘氚壓縮至液態密度100倍（離子溫度約500eV，壓力約10¹⁰atm）與經氘氚熱核反應產生的中子數最高達4×10¹⁰個（離子溫度約10KeV）的總體結果。

相互作用

束能的吸收與吸收能量向靶內部的輸運是最重要的問題。有關雷射－電漿相互作用已經作了大量研究工作，但由於現象的複雜性，仍有很多問題尚待解決。而對粒子束－電漿相互作用的研究還剛開始。
雷射束是在靶外圍的較稀薄的冕區電漿中傳播、吸收或反射的。吸收是通過經典的逆軔致輻射（又稱碰撞吸收）與激發電漿波（又稱反常吸收，包括共振吸收、衰變不穩定性與離子聲湍流等）的過程而實現的。束能主要耦合給電子；隨後，經過電子－離子的碰撞再加熱離子。激發電漿波的反常吸收會產生能量高達10—100KeV量級的超熱電子，這些有較長射程的超熱電子對靶心的預加熱是實現高壓縮爆聚的嚴重障礙。

慣性約束聚變

慣性約束聚變

與上述吸收過程相競爭的，還可能存在幾種由高強度雷射所激發的電漿不穩定性。

不穩定性會產生非常高能（50—100KeV）的電子；布里淵不穩定性則引起入射雷射的反射損失；而細絲不穩定性會加劇入射雷射束在強度分布上的空間不均勻性以致形成局部光強異常高的細絲通道。尋求能抑制上述電漿不穩定性的方法已成為相互作用研究的重要內容。
在臨界密度附近，電漿密度輪廓變陡是高強度雷射與電漿相互作用中的另一非線性效應。這種變陡主要是由光波和電漿波所產生的有質動力引起的，它反過來又會對冕區電漿中的各種物理過程產生重要影響。另外，在冕區電漿中，還觀察到自生磁場，最高可達幾兆高斯。這種自生磁場雖不可能直接影響電漿的流體力學行為，卻有可能對電子熱傳導等過程產生重要的作用。

在波長效應方面，已證明短波長雷射能有較理想的束－靶耦合。當雷射強度處於10¹⁴—10¹⁵W/cm²量級時，對於0.53μm、0.35μm的較短波長（可經釹玻璃雷射的倍頻而產生），吸收率可高達80%—90%；因為是以逆軔致吸收為主要機制，故只產生極少量的超熱電子；另外，也不易激發布里淵不穩定性等過程。

通過束－靶耦合而沉積在冕區電漿中的熱能，通過電子熱傳導而傳輸到密度更高處的消融面；爆聚的效果強烈依賴能量輸運的速率。實驗與計算機模擬已證實，確實存在著橫向與縱向電子熱傳導被反常抑制的現象，電子熱導率有可能不到經典值的二十分之一，自生磁場與電漿不穩定性也許是這種抑制的起因。不過，雷射電漿中的能量輸運仍是了解甚少的重要課題。

靶

靶的結構決定了束－靶耦合與爆聚物理的特徵，無疑是慣性約束聚變的核心部分。靶的設計要用一維或二維流體力學編碼進行大容量的計算機模擬才能完成，美國利弗莫爾國家實驗室所編制的稱為“LASNEX”的二維多群能量輸運磁流體力學程式是最著名的靶設計編碼。由於在表面光潔度、同心度、材料成分及殼層結構等方面的苛刻要求，慣性約束靶的製造與質量檢測是一項涉及到高精密工藝技術的艱難課題。
在慣性約束聚變中，有兩類基本的靶設計模式：
① 直接驅動靶，靶的外殼層在吸收了入射的雷射或帶電粒子束能量後，將直接驅動爆聚；
② X射線驅動靶，靶在吸收了入射的雷射或帶電粒子束能量後，首先是將其轉換成軟X射線輻射；然後，再利用內含在靶腔體中的輻射，對稱地驅動置於腔體內的燃料球丸爆聚。因而，這類靶也稱為非直接驅動靶。
在X射線驅動靶中，即使是利用較少路數的雷射或帶電粒子束的非對稱輻照，也易獲得高度球對稱的爆聚。正是利用這類靶設計，實現了前述的100倍液態密度的高密度壓縮。在實驗上，還廣泛進行了雷射轉換成X射線輻射的基礎研究，已證實利用短波長雷射可以獲得相當高（如50%以上）的能量轉換效率。由於這種靶的結構和核武器有更密切聯繫，所以X射線驅動靶的具體設計仍處在保密的階段。
在不保密的直接驅動爆聚的研究中，已提出過多種靶設計。例如，早期的雷射壓縮實驗廣泛使用內充低密度（10^－2—10^－3g/cm³）氘氚氣體的薄壁（壁厚揥1μm，直徑約100μm）玻璃球殼靶。在這類所謂“爆炸-推進”型的結構較簡單的靶中，爆聚實際上是由射程與玻殼壁厚相當的超熱電子所驅動。這類靶不可能實現高密度爆聚。而能夠達到高增益、高密度爆聚的所謂消融型壓縮靶，是尺寸較大而結構遠為複雜的多層複合靶，它的製造技術和工藝十分複雜。彩圖（右）顯示了兩種直徑為數毫米且有可能產生高增益微爆炸的慣性約束聚變靶設計。

慣性約束聚變

診斷

套用並發展各種具有高分辨（時間、空間與能譜等）能力的電漿診斷技術也是慣性約束聚變研究中重要的組成部分。束－靶耦合及爆聚－燃燒都是發生在極短時間、極小空間中的物理現象，而且會產生超高密度的高溫電漿。這些特性要求慣性約束聚變的診斷應有相當寬且苛刻的參量測量範圍，對主要物理量（電漿密度n、溫度T、電磁輻射的光子能量hv、粒子能量E及時間、空間尺度t、x）的診斷要求。這裡的關鍵是皮（10^－12）秒量級的時間解析度、微米量級的空間解析度以及經壓縮得到的極高粒子數密度（最高可達10²⁶cm^－3量級）的測量。

慣性約束聚變

慣性約束靶的診斷主要是根據它所發射的包括了從紅外、可見、紫外、直到X射線區域的整個波段的電磁輻射（特別是極為豐富的X射線輻射）以及高能粒子（如快電子、快離子與聚變反應產物等）的特性而進行的；另外，利用具有貫穿進高密度電漿能力的短波長（可見或紫外）雷射束或輔助X射線束（以另外布局的輔助靶上產生的高溫電漿為發射源）作探測束也提供了主動型的診斷手段。
慣性約束聚變實驗的目的是為了確定靶在爆聚全過程中的時間與空間行為，尤其是在密度與溫度上有很大變化的不同的區域（如靶外圍的冕區、消融區及中心爆聚區等）中發生的能量轉移和變換過程。因而，研製並發展各種專門的分屬光學、X射線及粒子等方面的診斷方法或儀器（見超高密度高溫電漿診斷）就是十分必要的。
慣性約束聚變實驗診斷的另一特點是要求在單次打靶中能使用大量診斷儀器以儘可能取得較完備的測量數據。顯然，為了及時、準確地記錄並處理測量結果，也需要配備專門的數據自動採集及計算機實時處理系統。

驅動器

高功率、短脈衝雷射器是最先用於聚變並有最大成就的一類驅動器。在時間與空間上的高度集中能力與可調節的性能，以及傳輸上的方便都是雷射所特有的優點。最重要的雷射系統是釹玻璃（波長1.05μm），CO₂（波長10.6μm），原子碘（波長1.315μm）與KrF（波長0.248μm）等。

慣性約束聚變

迄今，絕大部分聚變實驗是利用釹玻璃雷射（1.05μm與其諧波0.53μm，0.35μm和0.26μm）與CO₂雷射完成的。這兩種雷射都已有大於10⁴J和大於10¹³W的輸出能力的裝置。釹玻璃雷射雖效率低（<1%）、成本高且重複率低，不能作為未來聚變堆的驅動器。然而，研究表明：較短的雷射波長（<1μm）能有較好的束－靶耦合、更低的超熱電子預加熱和更高的軟X射線轉換效率；且釹玻璃雷射的二次與三次諧波的轉換率已可超過70%。所以，釹玻璃雷射仍然是演示原理性實驗與核爆炸模擬研究的最有效的手段。CO₂雷射雖效率高、成本低，但波長效應仍是根本的問題。大型雷射器已採取的先進技術，包括：像傳播空間濾波技術、低非線性折射率光學材料（如磷酸鹽玻璃）、準連續主動鎖模振盪器、全電型脈衝選擇開關、大孔徑片狀放大器、大孔徑高效率頻率轉換技術、多光束同步、光路自動調整以及計算機控制運行等。單束釹玻璃雷射的可聚焦功率密度已超過10¹⁷W/cm²，美國利弗莫爾國家實驗室的稱為“NOVA”的100KJ、100TW量級的超大型多路釹玻璃倍頻雷射系統即將建成。

帶電粒子束作為慣性約束聚變的驅動源是基於脈衝功率技術的發展，有關電子束、輕離子束與重離子束聚變的計畫到70年代相繼出現。粒子束方案的優點是能量大、效率高；主要的技術問題是束的傳輸、聚焦與脈衝成形。粒子束聚變是從相對論性電子束開始的，但由於電子束在能量沉積物理和靶設計方面的複雜性，已逐漸讓位給離子束，尤其是能從電子束二極體稍加改變而獲得的輕離子束。質量大、非相對論性的離子有較理想的能量沉積特性與不存在軔致輻射預加熱等優點；而束流的聚焦是離子束聚變尚待解決的關鍵問題。目前正在研製的最大的輕離子束驅動器是美國桑迪亞國家實驗室的名為“PBFA-Ⅱ”（<1000KJ，100TW）的系統。

最終用於慣性約束聚變反應堆的驅動器，要求高效率（約10%—20%）、高重複率（約10—20Hz）與低成本，並應有下述束性能，能量約1—10MJ，功率≥10¹⁴W；經幾米距離（堆腔尺寸）傳輸後，聚焦斑點的直徑約為幾毫米，相應的功率密度約為10¹⁴—10¹⁵W/cm²；另外，束－靶的耦合應當是有效的。有希望成為未來聚變堆驅動器的候選者是KrF、自由電子、CO₂雷射，以及輕離子與重離子束等。

慣性約束始於20世紀70年代，用於慣性約束的驅動器在不斷發展，主要有高功率雷射驅動器、相對論電子束驅動器、輕離子束驅動器和重離子束驅動器。其中，研究得較為廣泛、進展較大的是雷射驅動器，常用的是釹玻璃雷射器，技術上也較成熟，但在耦合效率及重複發射脈衝的頻率等方面，還達不到可以利用雷射核聚變能量的要求，所以還在發展KrF準分子雷射器及其他固體雷射器。相對論電子束驅動器，雖然把電能轉換成電子束能量的效率高達50%（在雷射驅動器中，電能轉換成雷射束能量的效率小於5%），產生強流電子束的設備也相對簡單，但電子束聚焦和傳輸的技術困難很難克服，且電子束易使靶丸預熱導致向心爆聚效果變弱，因而相對論電子束作為慣性約束聚變中的驅動器是沒有希望的。輕離子束（如氫、碳）驅動器，其能量轉換效率高達25%左右，所需儲能少，可使用低增益靶，使靶丸預熱少，造價只需雷射驅動器設備造價的1/3。存在的主要問題是，輕離子束聚焦和傳輸的困難、產生粒子束的重複頻率較低（每秒1—10次）和設備中某些部件（如二極體、開關等）的壽命短。重離子束驅動器被確認為慣性約束聚變驅動器中最主要的驅動器，其優點是耐用、可靠、能重複頻率運行、能量轉換效率高（20%—30%）、靶增益低（30—40）、離子在靶丸外殼上的散射小、沒有軔致輻射等。輕、重離子束驅動器備受青睞，正在發展之中。

慣性約束聚變