慣性約束聚變反應堆

利用驅動器提供的能量引發熱核燃料產生熱核聚變反應並利用物質慣性延續一段時間的大型核反應裝置。慣性約束聚變系統主要由驅動器、靶室、球形燃料靶丸和實驗診斷設備組成。球形燃料靶丸置於靶室的中央，靶丸一般內充氘氚燃料，半徑約為幾百微米至毫米量級。驅動器包括高功率雷射器和粒子束兩大類，目前主要採用高功率雷射器。雷射器輸出的雷射脈衝要求形狀和寬度可調，多路輸出，各路輸出的功率達到高度平衡，並具有高的瞄準精度。驅動方式主要有兩種：直接驅動和間接驅動。直接驅動要求多路雷射儘量均勻地輻照靶丸。間接驅動則是先將雷射能量轉變為軟X射線能量，由後者均勻驅動內爆靶丸，故又稱輻射驅動。

基本介紹

• 中文名：慣性約束聚變反應堆
• 外文名：Inertial Confinement Fusion Reactor
• 組成：驅動器、靶室、靶丸和診斷設備
• 靶丸：球星靶丸，充氘氚燃料
• 驅動方式：直接驅動和間接驅動
• 驅動器：高功率雷射器和粒子束兩大類
• 縮寫：ICF

開發聚變能的途徑

為了克服輕核之間的排斥力，需要把它們加熱到幾億度的高溫，輕核間才能有較大的聚變反應機率。此時燃料以物質第四態——電漿形態存在。此外，要把這種電漿足夠長時間地封閉在反應器中，才能產生足夠的聚變能量，使之在補償為創造此條件所投入的能量後，有淨的能量輸出。約束電漿原則上有兩種途徑： 磁約束和慣性約束。

磁約束聚變

為了不使高溫電漿與器壁碰撞而損失能量，用磁場將電漿約束起來，離子將繞磁力線作螺旋運動。聚變產物中的帶電粒子受到磁場的約束，其能量將沉積在電漿中，使電漿通過輻射、傳導等損失的能量得到補充， 從而維持所需的溫度。被中子攜帶的能量將逸出電漿，在聚變反應區外厚幾十厘米的包層中沉積，經載熱劑帶去，由此得到可利用的聚變能。

慣性約束聚變

用多路大功率雷射束(或離子束)同時照射氘-氚靶丸。靶丸外層迅速吸收能量形成薄的電漿層，表面材料蒸發形成的聚心反衝力將靶丸壓縮至比固態高1000倍以上的密度，並使中心達到聚變要求的高溫;聚變產生的α粒子能量又加熱靶丸中心周圍的氘和氚，聚變反應向外傳播;依靠聚心壓縮的慣性，在燃料尚未飛散前產生足夠多的聚變反應以得到淨的能量輸出。

用以驅動靶丸引發聚變的高能雷射束或粒子束稱為驅動束(driver)。要求深入研究靶丸聚爆物理、束與靶的能量耦合物理，發展驅動束與靶丸製作的技術。慣性約束聚變堆要求靶丸能量增益G達到50～100，驅動束效率η和G的乘積η×G達到10以上。這裡G定義為聚變所釋放出的能量與驅動束能量之比;η為產生的驅動束能量與輸入的電能之比。

慣性約束聚變研究歷史

慣性約束聚變在技術上要比裂變堆複雜得多。第一座示範裂變反應堆建成後，花了20年的時間就建成了商用核電站；但建造慣性約束聚變示範反應堆得花許多年。

在慣性約束途徑方面，自70年代初著手研究，對聚爆物理已有深入的認識，建造、運行了較大規模的實驗裝置，在驅動束照射均勻度和研製高度對稱的靶丸方面取得顯著進展。達到的驅動束能量約100kJ，聚爆的超高密度約為固體密度的600倍， 靶丸能量增益G為0.2%。實驗要取得實質性進展，要求研製MJ級的驅動束，G達到1。

從七十年代初期開始時，慣性約束聚變的目標就是在實驗室獲得高產額(100~1000MJ)的微聚變能力，為國防和民用服務。這就需要從約10MJ驅動器驅動性聚變靶中獲得高增益(輸出的聚變能量與輸入的驅動能量之比)。1986年，國家科學院的一個委員會經過長達一年的工作，完成了慣性控制聚變計畫評審。

大幅度地提高經濟上的競爭力是聚變能開發的重要任務。預計目前設計的聚變電廠，其建造費用將比裂變電廠的高得多。聚變-裂變混合堆由於能為經濟性良好的裂變堆生產燃料和嬗變處置核廢料， 有可能較早實現聚變能的利用， 以後過渡到純聚變電站。

慣性約束聚變基本原理

驅動源燒蝕靶丸外殼產生內爆，引發熱核反應。當靶丸的燒蝕層加熱和向外面的真空膨脹時，為了保持動量守恆，其他未燒蝕的部分則向內運動。靶丸的行為宛若雷射燃燒的球形火箭那樣產生反向壓力，驅動一系列的球形聚心衝擊波會合於球心附近，將靶丸內的氘氚(DT)主燃料層內爆壓縮成高密度的電漿狀態，達到液態氘氚密度的一萬倍左右，中心氘氚的溫度達到5～10keV左右。然後，依靠燒剩的外殼和燃料本身向內運動的慣性將這種高密度狀態維持一段極短的時間。在中心局部區域實現熱核點火後，由中心區域產生的熱核聚變能量進一步加熱外面的主燃料層，在靶丸飛散之前，使其迅速充分燃燒，釋放大量的聚變能量。靶丸飛散的時間約秒的量級。氫彈也是依靠熱核燃料和它周圍物質的慣性將高溫高密度的電漿狀態維持一段相當短的時間而實現熱核點火和熱核燃燒的。但是氫彈爆炸是不可控的熱核聚變反應，而慣性約束聚變則是人工可控的熱核聚變反應。

由於DT的聚變反應率最大，對驅動器的能量要求相對低一些，目前國際上在慣性約束聚變的研究中幾乎毫無例外地將氘氚燃料作為聚變燃料。慣性約束聚變是一種可控熱核聚變。如果每秒鐘以5～6發的重複頻率打這種靶丸，那么聚變產物攜帶的能量可以作為蒸汽熱循環的熱源，驅動一台產生1GW電力的聚變反應堆。因此，將來可以利用一系列的可控的微型熱核爆炸，建造驅動源乾淨、安全的理想聚變電站。

慣性約束聚變靶丸

慣性約束聚變中包容氘氚(DT)熱核燃料的微型小球。基本結構為外面一層固體外殼，由玻璃、金屬或塑膠組成，作為燒蝕層和推進層;裡面一層是燃料層，由氘氚冰或其他含氘氚的材料組成;最裡面充以氘氚氣體。聚變能量即由氘氚燃料產生。

慣性約束聚變靶丸根據研究工作的需要可以有各種不同類型的結構和不同的尺寸，在靶物理研究中最常用的是玻璃或塑膠殼內充氘氚氣體的靶丸。目前美國NOVA雷射裝置上進行的實驗所用的靶丸多數是塑膠殼靶丸，其外半徑尺寸約為0.5mm左右，外殼厚度約為幾十微米，內充氘氚氣體。另外有一種冷凍靶丸，是將氘氚燃料均勻冷凍在外殼內表面上，可以提高內爆氘氚壓縮密度，這種靶丸多用於實現點火和能量增益。還有一種是多層靶丸，由多層不同材料構成的外殼，內充以氘氚燃料。直接驅動靶一般只由靶丸構成，間接驅動靶構造比較複雜，裡面是靶丸，外面有一個重金屬(一般為金)圓柱(或其他形狀)黑腔，目的是使雷射高效率地轉換成X光。黑腔使輻射不至跑掉，並通過輻射輸運將X光改造為平衡譜。靶丸的研製是一項高技術，需要有高精密加工和測試診斷技術，需要高精密的金剛石車床等高精密的設備。

慣性約束聚變研究面臨挑戰

慣性約束聚變首先要研製大型裝置，然後是如何在極短的時間內(約10～20ns)將驅動能量輸送到直徑約為1mm量級的非常小的燃料靶丸中去，實現熱核聚變。在實驗室內實現單發高增益之後，還必須解決提高驅動器效率和重複頻率問題，最後才是建立聚變電站的問題。它是一項複雜的系統科學工程，研究內容包括靶物理的研究和靶丸設計;大能量、高功率、高效率的、脈衝形狀和寬度可調的驅動源的研製;靶製備工藝研究;診斷測量技術的研究;以及聚變堆與聚變電站的設計和建造等。

慣性約束聚變反應堆套用

國防套用

慣性約束聚變實驗釋放100~1000MJ的熱核能量，可在小範圍內產生與熱核武器產生的條件相似的實驗室條件。儘管這些慣性約束聚變實驗不能對付對熱核武器來說非常重要的全部問題，但它們在與武器研究和核強化與生存力估價有關的許多領域中，對其基本認識和預見能力確會作出貢獻。在可控實驗室條件下，高溫高密度區對核物理、原子物理、電漿物理和輻射物理等許多方面極有價值，為第二代和第三代熱核武器設計提供基礎識。進行這種實驗的能力將發展我們的知識，猶如催化劑，為發明服務。這種能力有助於吸引新的人才進入這個研究領域，這對國家安全也很重要。

慣性約束聚變反應堆約以每秒一個脈衝工作，可用來產生特殊核武器用的材料(如Pu，T)，其生產費用僅需常規裂變反應堆的1/2到1/3。聚變比裂變固有的優點是，它可在單位熱能里產生更多的中子。在生產為核武器貯備的這些材料方面，其好處明顯地與日俱增。實驗室微聚變設施可用作檢驗工程試驗反應堆的反應室設計，第一層壁材料的設計和材料再生區的設計。單脈衝實驗將確定在這種反應堆中將會具有的脈衝速率，並檢驗這種套用的經濟效益。

民用項目

慣性約束聚變的一個主要民用項目就是將其建成一種豐富、經濟、無環境污染的電源，這是世界上有核國家都從事慣性可控聚變的主要原因。在這種研究中，實驗室微聚變設施必不可少。在獲得高增益後，作為驅動能量函式的增益曲線便根據各種靶的設計、照明的幾何條件和驅動脈衝的形狀來確定。這一套用要求以最小驅動能量獲得高增益。用於國防套用的同一實驗室微聚變設施將為我們提供進行反應堆技術必要實驗的能力。除了產生動力，慣性約束聚變反應堆的裂變燃料生產、同位素生產、空間推進和空間動力生產等方面具有長遠的潛在優點。