雷射聚變反應堆

核聚變，即?>原子核結合形成一種新元素的原子，是為核彈和太陽提供能量的主要反應。核聚變很久以來一直被看作是一種潛在的豐富能源，但核聚變反應必須能夠在一個人為可控裝置中進行。控制核聚變反應極具挑戰，原因是溫度達到氫同位素的熔點要求的電漿，其熱度之高足以毀滅任何該電漿的製造材料。科學家構想了兩個解決方案。其中一種就是雷射核聚變，利用雷射壓縮核燃料，可模擬出一顆星體內部的極熱狀態和密度。因此產生的核聚變反應是通過限制燃料的數量來控制，而不是通過電磁強度來控制。

基本介紹

• 中文名：雷射聚變反應堆
• 外文名：Laser fusion reactor
• 基本釋義：高能雷射壓縮核燃料
• 歸屬學科：核聚變
• 設備：高頻雷射器
• 套用：發電、武器

引言

核聚變研究的最終目的是為人類提供未來的能源。氫彈是以不可控的形式顯示了核聚變能的威力。人們正在做出巨大努力,去實現可控的核聚變。目前核聚變反應堆的研究正處在實現高增益的前夜。縱然有不少困難,但前景光明。核聚變的研究主要有兩條技術途徑,一條是磁約束聚變;另一條是慣性約束聚變。慣性約束聚變是利用高功的脈衝能束均勻照射微型聚變靶丸,由靶面物質的熔化噴濺產生的反衝力訓貫性力,使靶內的聚變物質受到約束,迅速被壓縮至高密度(濃態氛佩密度的1000倍左右)和熱核燃燒必須的高溫(1億攝氏度左右),從而發生微型熱核爆炸,釋放聚變能。

雷射聚變按著驅動器與靶的不同作用方式,雷射聚變可分為直接驅動和間接驅動兩種。雷射聚變可能有兩方面的套用:(1)民用:用於發電,還一可利用共產生的中子制適裂變材料,生產放射性同位素等;(2)軍用:在實驗室中模擬核爆,促進核武器的發展。這包括:a.研究武器物理,校驗核武器計算方法,b,研究核爆輻射效應及其對抗措施;c。做實驗室X射線雷射的泵浦源。

雷射聚變的物理過程

雷射核聚變的物理過程,大致可分為三個階段:1.雷射與靶的藕合(雷射被靶吸收或轉換為x光);2.向內傳熱增壓和聚心壓縮,3.芯部點火與熱核燃燒。

雷射與靶的輥合(吸收及x光轉換)

雷射脈衝的前沿或予脈衝,照射於靶丸表面使表面汽化;在靶四周形成一層稀薄的電漿,這一層稱作電暈區。電暈區中等離子頻率等於雷射頻率的地方稱作臨界面。雷射主要就是在臨界面附近被吸收的。

雷射吸收的主要機制有:逆韌致吸收(古典碰撞吸收)、共振吸收、其它反常吸收機制。

傳熱增壓和聚心壓縮

為達到壓縮熱核燃料的目的,首先必須由臨界面往高密度燒蝕層傳熱實現增壓。雷射在臨界而附近把能量交給電了,然後由電子傳熱把能量送入靶丸。因此熱傳導的問題是雷射聚變的關鍵問題之一。這裡熱傳導問題比正常的熱傳導複雜。已證實存在著強自生磁場的阻熱作用,還可能存在著電子與離子聲波湍流反常碰撞的阻熱因素。間接驅動靶是靠x光傳熱。x光傳熱速率與X光溫度T關係非常敏成。因為輻射流傳熱使靶丸的外殼(推進層)受到燒蝕,
殼的熾熱氣體一部分外爆飛散,一部分被推向內部,聚心加速,使靶丸受到聚心衝擊波的壓縮(見如下示意圖):

在這個聚心壓縮過程中,有幾個至關重要的問題:

a.必須防止推進層與燃料交界面的Rayteigh一aTylor界面不穩定性的發展,避免推進層材料與燃料的混合,降低燃料效率。

b.要控制壓縮形狀不大偏離球形,以免降低壓縮度。

c.要保持燃料的高壓縮度,就要爭取實現冷壓縮,防止予熱,所以要抑制超熱電子的產生。

為實現以上幾點,需要對驅動器和靶進行精心設計,達到儘可能好的流體力學效率,後者定義為內爆動能與被吸收的驅動能之比。

芯部點火與熱核燃燒

經過上面的傳熱和聚心壓縮過程,應使DT靶丸的燃料獲得>10^12大氣壓的壓力和>5kev的溫度,DT才能點火。

可以證明:DT靶丸的點火不可能是整個靶丸燃料整休同時點火,而只能是中心附近一個小區域(其質量約為總燃料的百分之幾)達到5keV以上,首先點火。然後,由DT反應產生的3.5MeV的α粒子傳熱,點燃其餘部分,形成熱核燒。

雷射聚變堆現狀與展望

目前美國在ICF上每年保持1.55億美元的穩定投資,主要工作在三大武器實驗室(LLNL,LANL,SNL),其次是Roehesetr大學,NRL和KMSF。重點進行間接驅動枝術研究,同時開展小規模直接驅動研究。

主要研究手段有:高功率雷射器,首先是LLNL的Noya雷射器,正準備利用它,作“流體力學等當縮小型靶”研究。蘇、日、西歐也在發展大雷射器。八十年代以來,蘇聯為雷射核聚變研究發展了欽玻璃雷射器“海豚”系列。能量從3kJ發展到SOkJ功率從1.STW發展到數十TW。據悉,目前正著手建造IMJ的裝置,井注意提高雷射器的效率和重複頻率。美國直接驅動靶的研究在UR和NRL進行。有24路的omega雷射器。此外,KrF雷射器也是一種有希望的驅動器。正在LANL發展,目前水平是單路10J不需倍頻,但必須作時間調製,壓縮脈寬。2.利用地核試驗斑供的強X光源,作ICF小囊內動力學研汀。保密的Haliet一cont-uiron計畫估計就是作這項研究的。間接驅動和直接驅動靶均取得了初步實驗果。前者中子產額為5x10^10。,後者達2x10^20。而且與理論計算符合得不錯。間接驅動靶的黑洞物理的研究,證實了理論預期的結果。如輻射輸達、超熱電子產生等。黑洞的溫度已接近高增益靶設計的要求。制靶技術取得進展。如製造冷凍DT靶,可降低高增益靶的幼炳;又如製作高精度的DT球殼技術等。一些水平很高的理論計算程式已發展,}魚來並得到了套用。這裡需要很多原子(離子)的微觀數據。

1988年8月,美國的LLNL的E.Storm等在義大利一次國際會議上透露“美國利用地下核爆炸產生的射線來模擬未來強雷射所驅動的靶丸聚變,獲得成功”。使用的x射線能量為5一10MJ,DT聚變的結果與理論計算相符。達到了接近一維的理想壓縮和燃燒。這表明,用Nova的實驗結果核驗過的理論計算作的外推是正確,只要建造z0MJ的雷射器(稱Athena),就能實現內爆高壓縮和顯著聚變(燃耗達~30%)。“上述結果使我們確信:10MJ、三倍頻釹玻璃雷射器驅動的ICF是可行的,效費比是高的,美國將加速實現這個計畫。"