论文--激光聚变的回顾与展望.doc

激光聚变的回顾与展望摘要 我们组小论文的主要内容是激光聚变的review，以及我们对于未来前景的一些想法。众所周知，可控核聚变是人类彻底解决能源问题的可能途径之一，也是物理学的光荣与梦想。目前来看，实现可控核聚变的方式主要有两个，一个是磁约束聚变，另一个是惯性约束聚变。而激光聚变是惯性约束聚变的一种，其发展速度很快，值得我们关注。关键词 激光聚变 回顾 展望1.引言我们组的选题为激光聚变的回顾与展望，期间我们做了大量的调研工作，也进行了一些自己的推导（这些推导主要是验证性的）。由于上个星期考试，我们没有时间做成PPT向大家展示，只能把我们的一些调研和想法写到本小论文里。1.1核聚变研究历史简述-迈向激光聚变可控核聚变是人类彻底解决能源问题的可能途径之一，也是物理学的光荣与梦想。目前来看，实现可控核聚变的方式主要有两个，一个是磁约束聚变，另一个是惯性约束聚变。而激光聚变是惯性约束聚变的一种。大致说来，可控聚变的研究就是学习怎么操控等离子体。仿星器、托卡马克等装置都是试图用磁场来控制等离子体，然而，美国ITER技术咨询委员会现任主席查尔斯贝克说：“无论你对它们做什么，等离子体总是会有一点不稳定。” 难以驯服的等离子体让科学家们不断受挫，但同时也让他们萌生了另辟蹊径的想法。世纪年代能源危机发生时，通往核聚变的另一条平行的研究计划也诞生了，科学家希望这条新的途径能够避免磁约束等离子体中遇到的一些问题。这些技术用许多束激光去压缩和加热一个由氘和氚构成的靶丸。这就是激光聚变研究的发端。总体上，按照高功率激光驱动器，可以划分为如下的三个层次：第一代驱动器以探究聚变物理为牵引目标，釆用“MOPA”(主振荡放大）结构，其特征为：单程放大，能量提取效率低，结构分离，单位能量造价较高。典型装置为美国利弗莫尔实验室的Shiva以及Nova,罗切斯特大学的OMEGA,日本大阪大学的Gekko-XII，以及中国的SG-II。第二代驱动器以实现点火为牵引目标，主要特点为多程放大，模块化，组合结构，能量提取效率较高。典型装置为美国LLNL的NIF,法国的LMJ。第三代驱动器以聚变能演示为牵引，设计目标为lOHz高重频，能量效率高10%，输出能量大于10MJ。美国的LIFE计划以及欧洲的HiPER计划都是以第三代驱动器作为其驱动装置。1.2曙光据美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室7月12日报告，美国国家点火装置7月5日发射了192束激光，并使其融合成了一个激光脉冲，产生了500万亿瓦特峰值功率，这比美国在任何特定时刻内使用的总电量还要高1000多倍，并且是人类历史上发射的能量最大的激光脉冲。在9月底的一次试验中，核聚变产生的能量首次超过了燃料吸收的能量！这是历史性的进展，也带来了新的问题：磁约束聚变还是激光聚变？ITER还是NIF？这是一个问题。以下我们主要介绍一下激光聚变。2.激光聚变的理论推导激光聚变的原理可以用一句话定性地说明：强激光或者X射线从各个方向照射靶丸，激光或者X射线烧烛聚变燃料，一些燃料被向外抛出，与此同时另一部分燃料则向内运动压缩剩余燃料直至满足聚变点火条件，聚变发生，产生大量能量。当然，我们需要定量的推导。以下为我们验证性地推导原理。2.1核聚变理论推导根据爱因斯坦的质能方程，核反应产物的总质量小于反应前核材料的总质量，那么反应为放热反应，放出能量的大小为: 最容易实现的聚变反应为氘(D,Deuterium)和氚(T,Tritium)生成一个氦核以及一个中子的反应。目前主流聚变装置就是利用这个反应来实现聚变能，以下我们也已这个为例推导。惯性约束聚变并不依赖外界的约束手段，而是依赖于物质的惯性将聚变燃料在很短时间内压缩至高压高密度的状态以达到聚变点火的条件，因此可以说惯性约束是一种脉冲的概念。Dawson等人给出了聚变实现必须满足的条件，即Lawson判据。下面推导Lawson判据。伟大的科学家Gomov得到低能区全部的核反应截面为：=SEe-GE，E为质心系碰撞能量，S、G为常数，随元素而异。以氘氚为例，单位体积单位时间发生核聚变的次数为：Rij=11+ijnivinj(vj)vi-vjvi-vjdvidvj其中，ij为克罗内克符号。推导得：Rij=ninj1+ijvij（vij是v对这两种粒子速度分布的平均值）有具体的热力学分布函数可得vij的值。再设Q为发生一次氘氚聚变所释放的能量，假设nD=nT=N2(N为反应物质单位体积内粒子数)，由于D与D反应的反应截面远小于DT反应的反应截面。所以D与D的反应可忽略不计 易得聚变反应的功率密度：功率密度P1=nDnTvDTQ=n24vDTQ若聚变可以自持，则应满足等离子体的聚变放能大于维持等离子体消耗的能量。设等离子体的约束时间为则应有：P13nkT得：n12kTvQ这就是所谓的Lawson判据！由于激光约束核聚变的反应在靶丸内进行，由此我们也可以得到更为实用的 R判据。其中为密度，R为靶丸半径。由=mn,R=v得R12mvkTvQ（v代表靶丸等离子体中的声速）由于实验中不可避免有各种能量损耗，因此实际的判据应该比以上结果大。但上式给了我们一个很好的半定量近似。代入数值，计算之后，可以得到聚变条件要求。一般情况下，要实现聚变点火，热核燃料需要达到高温，高密度的状态，具体来说需要满足以下三个条件：1)Lawson判据： n51014s/cm32)等离子体温度： T5107K3)pr 乘积： R3gcm32.2激光聚变理论对于激光惯性约束聚变，强激光或者X射线从各个方向照射靶丸，激光或者X射线烧烛聚变燃料，一些燃料被向外抛出，与此同时另一部分燃料则向内运动压缩剩余燃料直至满足聚变点火条件，聚变发生，产生大量能量。激光的驱动方式可以分为直接驱动和间接驱动。对于直接驱动方式，光束在立体角内均勻地辐射燃料勒；对于间接驱动方式而言，光束辐射一个柱状的黑腔，腔壁上涂有高Z材料用以产生X射线并以黑体辐射的方式照射靶丸。采用间接驱动的目的在于其具有良好的辐射对称性以及稳定性，代价是其整体的能量效率较低。要实现聚变反应需要满足如下要求:1.驱动器能量高效耦合到靶丸，对驱动器而言这要求使用亚微米的波长和采用较低的光强防止燃料被提前加热；2.通过优化点火参数高效地利用耦合到燃料的能量，等离子体约束的目的在于压缩靶丸，任何提前加热都应该被维持在最低限度内；3.满足辐射的对称性，保证中心点火的产生；4.控制流体力学不稳定性如:Rayleigh-Taylor不稳定性。惯性约束聚变研究的终极目的为获得高增益的聚变能。显然要达到这种物质状态，需要外界提供强大的驱动源产生足够的压强来压缩靶燃料。除了激光直接辐射能产生光压之外，球型内爆技术提供重要的增压手段。一个典型的内爆过程为：激光从各个方向均匀的辐射靶丸表面产生一层等离子体，激光通过等离子时，以逆初致和一些等离子效应被吸收，最终形成烧烛压。烧烛压驱动等离子物质向外喷射，另一部分等离子体会向内聚心压缩剩余燃料，最终达到点火的要求。目前研究的比较成熟的点火模型为中心点火模型。其靶丸由外壳，氘氚冰燃料层以及低密度的氘氚饱和蒸气组成。激光驱动的脉冲形状也经过优化设计，脉冲由能量较低但是脉宽较长的预脉冲以及脉宽较短，能量则高出几十倍的主脉冲组成。预脉冲用于产生一个等熵压缩的环境，主脉冲则用于形成中心热斑。除了上述的中心点火方案,较为新型的点火方式还有快点火和冲击点火方案。下图给出了以上三种点火方式对应的状态参数示意图。3.现阶段人类的最新进展目前在运行的以及在建的大型激光装置有美国罗切斯特大学的OMEGA装置，以及LLNL的NIF装置，法国的LMJ _，中国的神光装置。NIF和LMJ设计采用间接驱动方式。中国的神光III装置釆用的是间接驱动方式。3.1 美帝的NIF装置国家点火计划采用间接驱动的方法，将充DT 燃料的靶丸被放置在高Z 金属柱腔内部，通过将激光驱动能量聚焦在辐射腔内壁转换成X 射线以实现内爆驱动，如图所示，入射激光的时间和空间分布被调制，从而将DT 燃料制造成1000g/cm3的外壳层，包围低密度的点火热斑。当热斑中心温度达到10keV，面密度到达0.3g/cm2，约等于粒子截止范围，当内爆燃料面密度达到1.5g/cm2 时，热斑即保持足够长并通过加热达到几十keV。为实现这样的面密度和热温度的条件，需要经历低熵过程，高聚集性球对称内爆(30-40)。这需要精确的控制激光脉冲和靶型，平衡各种内爆参量的速度(v)，绝热过程(a)，热斑形状(s)，绝热燃料混合(m)。点火装置上已经独立实现了部分指标，但并非同时。热斑压力比预计值低23 倍，混合速度比预期值低。NIF采用48束激光，每束激光包含4个子束，从南北半球，以外环（50，44.5)和内环(30,23.5)的分布辐射黑腔革巴，基于交叉光能量转移技术，内环光束在波长和脉冲形状上有别于外环光束，且内外环的光束强度是可控的，用于改善X射线的辐射对称性。驱动器设计输出能量为1.8MJ，运行波长0.35m,除此之外NIF装置对光束定位和瞄准精度提出了高要求，误差限为6m。3.2 法国佬的LMJLMJ装置采用的是间接驱动方式34，60束(每束包含4个子束)激光分为6环以33.2,49和59.5的倾角从黑腔紀两端辐射。其驱动器输出能量为1.8MJ,运行波长为0.35m ，LMJ的一个重要目的为进行武器设计。和NIF装置类似，尽管LMJ主要的驱动方式为间接驱动，基于直接驱动方式的聚变研究也同时进行。LMJ装置采用了更多的光束束数，这也为其变换驱动方式提供了更多的灵活性。3.3我国的神光系列SG-III装置设计采用间接驱动方式36，由48束激光组成，分为6个环，每环包括2X4个光束。单束激光输出能力为3.75kJ(0.35m),脉冲宽度为3ns，口径为 36cmX 36cm。中国的神光III装置釆用的是间接驱动方式，但受限于其驱动装置的输出能力，主要目的为探索和验证聚变过程中的关键问题。呵呵。NIF和LMJ设计采用间接驱动方式，设计目的在于实现点火以及武器设计。中国的神光III装置釆用的是间接驱动方式，但受限于其驱动装置的输出能力，主要目的为探索和验证聚变过程中的关键问题。由此可见，对于激光聚变来说，我们急切需要追赶世界领先水平。总体来说，可以总结为下面一个表。以上驱动装置主要是面向点火，点火物理研究或者武器而设计的聚变装置，采取的驱动方式主要为间接驱动，点火方式为中心点火。最近，欧洲计划建造面向聚变能的激光聚变装置HiPER，采用直接驱动方式，点火方式主要为更高效的快点火或者冲击点火。HiPER装置设计目的在于验证可以实现IFE的其他聚变方式例如快点火或者是冲击点火方式。HiPER计划釆用48激光辐射靶丸，脉冲形式为输出能量为250-300KJ，纳秒级压缩脉冲以及lOOkJ，15皮秒的点火脉冲。HiPER主要瞄准聚变能，在设计意图上HiPER希望能验证小光斑获得高增益，以及可以稳定，高重频，高增益运作的聚变方案。4.展望可控核聚变应当是目前世上为数不多的，投入资金、技术难度和潜在收获都无比高昂的先进科技之一。在火力、核能都受到质疑，风力、太阳能等替代能源又不能完全替代上的今天，尽快将核聚变技术推向实用，成为了间不容缓的课题。目前，由可控核聚变的两种思路所发展出来的两个巨大宏伟的科学装置ITER和NIF都在发展之中。我们组做这篇小论文时萌生一种想法：可否结合磁约束聚变（托卡马克装置）和激光聚变的优点，在托卡马克环流器内部形成稳定的等离子体时，用器壁上的激光器将能量聚焦在燃料上，从而可以瞬间产生聚变反应，之后待其回复稳定之后，再度点火？我们自知这种设想很不成熟，但本小论文也正是提出自己的一些想法，无所谓对错。但我们都知道的一点是：一日不掌握可控核聚变，“能源枯竭”这柄达摩克利斯之剑就一日在头顶高悬。参考文献：1Dawson JM. On the Production of Plasma by Giant Pulse Lasers J. Physic