慣性約束是一種實現核聚變的方法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內。從外面均勻射入雷射束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發，受它的反作用，球面內層向內擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱為慣性約束），就像噴氣飛機氣體往後噴而推動飛機前飛一樣，小球內氣體受擠壓而壓力升高，並伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度（大概需要幾十億度）時，小球內氣體便發生爆炸，並產生大量熱能。這種爆炸過程時間很短，只有幾個皮秒（1皮等於1萬億分之一）。如每秒鐘發生三四次這樣的爆炸並且連續不斷地進行下去，所釋放出的能量就相當於百萬千瓦級的發電站。
基本介紹
- 中文名：慣性約束
- 外文名：Inertial confinement
- 類型：核聚變的方法
- 特點：利用粒子的慣性
- 關鍵技術：爆聚等
- 又名：靶丸聚變
簡介,基本思想,國內發展,關鍵技術,爆聚,相互作用,靶,診斷,
簡介
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。
基本思想
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，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。
國內發展
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。
關鍵技術
爆聚
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。
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。
相互作用
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。
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。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；
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。
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的測量。
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。
