慣性約束聚變靶是影響慣性約束聚變實驗效果的關鍵因素。
雷射慣性約束聚變(ICF)研究中，靶製備技術起著重要的作用，它大到聚變反應堆的材料製備、工藝研究，小到亞毫米的靶丸技術研究，所以，國際上凡是有能力進行ICF研究的國家都把進行靶的製備研究作為一項關鍵技術來抓。
ICF靶技術分為材料、精密微工藝和參數測量三大組成部分，其中材料研究分為：靶裝配材料、雷射吸收與轉換材料、熱核聚變燃料、物理診斷示蹤材料、壓縮、高密度內爆靶丸殼材料及雷射電漿物理基準實驗材料等內容；精密微工藝和參數測量包括：靶丸製備技術、微米、亞微米靶零件加工工藝，以及各種靶材料、靶結構和納米、亞納米薄膜及粉沫測量技術。
基本介紹
- 中文名：慣性約束聚變靶
- 外文名：Inertial confinement fusion target
- 縮寫：ICF target
- 套用：慣性約束聚變的核心部分
- 靶設計模式：直接驅動靶和X射線驅動靶
- 靶丸常用結構：玻璃或塑膠殼內充氘氚氣體的靶丸
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慣性約束聚變介紹
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方法。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。
慣性約束聚變的基本原理是：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。
然而，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。
慣性約束聚變靶的設計
慣性約束聚變靶的結構決定了束-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；②X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（壁厚約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。
慣性約束聚變靶材料
慣性約束聚變靶材料研究包括：(1)靶丸材料，涉及到氘代有機材料、各種摻雜材料(如梯度材料、化學或物理摻雜材料、高強度靶丸殼材料)、氫同位素低滲透率有機材料、可懸浮式殼材料、靶丸殼泡沫材料等。(2)熱核燃料，包括不同性質的DT混合氣體、固體燃料、金屬氫、自旋極化的單原子聚變材料以及其它新型聚變燃料。(3)反應堆材料，主要是指第一壁材料，即抗輻射(中子、γ射線)損傷、低活度的新型防護材料。(4)雷射吸收、X光轉換材料，如納米複合與混合材料以及其它新型雷射、X光吸收轉換材料等。(5)特殊效應模擬的材料，如LiH和BeH2低密度微結構及其新型替換材料等。(6)裝配材料及靶製備工藝材料，重點是研究各種高強度的微細薄膜的支撐絲、支撐膜(包括碳纖維、蜘蛛絲(spider)、網狀纖維(webs)、聚乙烯醇縮甲醛和氯醋聚乙烯醇三元共聚物(formvar)、C8H8、聚酯(mylar)等)；低Z、低密度、高強度裝配膠(如生物膠、泡沫裝配膠等)以及各種靶丸、空腔的芯軸材料。(7)基礎、基準物理實驗靶材料，主要研究各種功能薄膜(如多層薄膜、梯度功能材料、凝膠薄膜)、結構材料、腔填充材料(密度≤3mg/cm3有機氣凝膠)以及狀態方程研究中的特殊規格、特殊結構材料等。
慣性約束聚變靶製備技術與工藝
制靶技術與工藝的關鍵環節中，由於靶物理實驗對微靶的尺度、工藝指標、加工精度要求很高，因此，需要研究特殊工藝的特殊加工方法。這些工藝和加工涉及到的內容有：
(1)靶丸製備技術和工藝，包括玻璃、塑膠(PS)，Be及B4C等材料球殼製備，多層球(如CxHyRz/PVA/PS，Al/PS/CxHyRz/SiO2，Al/SiO2，BeD2/PVA/SiO2/DT冰等)技術及工藝；橢球以及非球形靶丸；雕刻和埋點靶丸以及燃料和診斷氣體充氣工藝研究。
(2)精密微加工技術和工藝，主要有微型柱腔靶成形加工、金屬球殼、非金屬球殼加工、微孔加工、台階靶、調製靶、埋點靶加工，以及掃描隧道顯微鏡(STM)微加工。這些技術和工藝涉及到芯軸製備的超精密機械加工、外殼製備的電鍍、真空鍍膜以及光刻等內容。尤其是超精密加工將包括精密切削(車、銑)、超精密磨削、超精密研磨(機械研磨、機械化學研磨、研拋、外接能式浮動研磨、彈性發射加工等)、複合超精密加工(超精密振動切削、電解超精密加工)以及超精密微細加工(電子束、離子束、雷射束、X射線蝕刻等)。
(3)低溫靶技術及工藝，包括直接和間接驅動冷凍靶的均勻液體、固體燃料層的原理和技術；高壓充氣裝置；以及打靶耦合系統的研究。
(4)裝配工藝，以研製各種微靶的裝配技術和工藝為主，並開展自動、半自動裝配台以及智慧型化微機器手研究和放射性材料裝配技術、靶物理實驗中的雷射打靶精確定位與瞄準系統研究工作。這些研究內容一部分是現有的普通加工設備和技術所不能完成的，有很大一部分屬於亞微米、甚至納米的工藝製備技術。
慣性約束聚變靶丸
按靶物理設計的要求，雷射聚變靶的熱核燃料容器必須具有高球形度、高表面光潔度、高抗張力強度、均勻性好且能在較長時間內保存住熱核燃料等性能。要製備出符合上述特性的燃料容器，需要發展專門的製備技術和方法。
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。
