核聚变与等离子体物理 第三章4

1、惯性约束聚变惯性约束聚变 Inertial Confinement Fusion 靶丸的设计与生产 一、靶丸设计的一般要求 ICF靶丸的设计是一项极其复杂和困难的任务，目 前ICF靶丸的设计有两大类型： p一类叫直接驱动型，有较长的发展历史并有大量 的文献报道； p另一类叫间接驱动型，因与核武器设计有关，处 于保密状态。 虽然靶丸设计因实验目的不同而有所差异，但一般 来说，对惯性约束聚变靶丸要求如下： （1）其中必须含有毫克级的D-T燃料，以保证产生足 够的核聚变反应。这些靶丸聚变爆炸产生的冲击波的 破坏作用有限，完全在可控的范围内。 （2）靶丸要有合适的大小，直径大约在毫米量级。 由于驱动束

2、的能量限制，靶丸不能太大，靶丸越大需 要的驱动束的能量越高。由于束流聚焦的限制，靶丸 不能太小，若靶丸很小，而束流焦斑比较大时，大部 分束流就会白白浪费。希望聚变反应产生的带点粒子 能对等离子体进行自加热，要求靶丸的半径要大于粒 子的射程，靶丸不能太小。 （3）靶丸的构造有利于束流的能量沉积和容易得到 高的能量增益。靶丸应是完全球形且具有多层结构， 每一层的厚度要均匀，各层要高度同心，靶丸表面必 须有很高的光洁度，靶丸材料中能产生长寿命的放射 性同位素的核素应尽量少等。这些因素中有些相互制 约，因此制备比较令人满意的靶丸需进行各因素的综 合平衡。 （4）从将来的聚变堆应用考虑，靶丸的生产工艺还

3、 应该简单，价格要便宜，还要易于操作和储存。 另外，现在人们对ICF的各种物理过程了解得并不 很清楚，多数过程的物理学图像还没有建立起来， 对在极高温度、极高压力和极高密度下，物质又会 出现怎样的特性也还缺乏足够的了解，这些都对靶 丸的设计有重大的影响。 研制和生产符合上述要求的靶丸，会涉及到多种 学科和许多高精度技术，如需要开发微加工技术、 中空小球的制造技术、多种涂层技术和低温靶丸技 术等。 二、靶丸设计的制约因素 1、多层壳结构 n 最早使用的靶是平面靶，就是由某种材料构成的 平板，使用它来进行驱动器和靶物质相互作用的 研究。 n 较早使用的球形靶为玻璃球壳靶，它是在玻璃壳 中充以D-T

4、气体构成的。 n 为了提高驱动束能量的吸收效率，产生稳定的聚 爆，抑制超热电子的产生、提高聚爆速度等，靶 丸通常设计成多层结构。 消融靶丸示意图 （1）消融层 使用低Z的轻材料（如聚乙烯、聚四氟乙烯、LiH 和Be等），作用是充分吸收束流热能，减少X射线 和高能电子的产生，以便减少对燃料靶心的预热。 当束流打在靶丸的表面时，大部分能量将被消融 层吸收，消融层吸收能量后迅速爆炸而产生等离子 体，等离子体急剧膨胀产生压缩冲击波向内压缩和 加热里面的推进层。 （2）推进层 由高原子序数、高密度材料所组成，其作用为： 使靶丸结构具有一定的刚性以便在常温下盛装初 始的气体燃料； 聚爆时对里面的燃料起屏蔽

5、作用，进一步减少X射 线和高能电子对燃料的预热； 可以使燃料加热均匀，从而改善压缩，向内会聚 产生聚爆动能，提高聚爆效率； 在燃料燃烧期间，作为反射层使燃料得到更长时 间的约束。 在某些设计中第一推进层里面还有第二推进层， 两层之间用真空、气体或泡沫塑料隔开，这种双层 推进器的设计有可能使聚爆速度倍增。 根据动量守恒和能量守恒： 1 11 122 222 1 11 122 111 222 mumum u mumum u 式中 和 分别表示外、内推进器碰撞后的速度。 1 u 2 u 由以上两式可以求得内推进器碰撞后速度和能量转 移效率： 21 112 22 221 1 12 2 12 2 11

6、22 4 umumm m umu m m mm 设m1/m2=1,2,4,8，由以上结果可求得m2的速度倍 增和能量转移效率分别为1,4/3,8/5,16/9和 1,8/9,16/25,32/81。 虽然内、外推进器的碰撞不可能是完全的弹性碰 撞，但可以看出，采取这样内、外推进器的结构可 使内层的速度增加，在两层之间充入气体或加入塑 料，也是为了使碰撞过程得以光滑的进行。 研究表明，如果靶丸的聚爆是不对称的，那将严 重影响内层速度倍增和能量转移效率，而且还有其 它更严重的危害。 （3）燃料层 可以是D-T气体，也可以是冷却在推进层内壁上的 D-T混合物。当推进层受热爆炸喷射时，D-T燃料被 高

7、度压缩和加热，发生聚变燃烧。 靶丸的最里层是空心的。研究认为，使用空心靶 比用实心靶能使燃料得到更大的压缩。 2、燃料的装载和R值 在设计中，人们希望燃料的燃烧率达到30%50%， 比能量产额达340MJ/mg，因此一个靶丸应能产生 100MJ的能量产额（这是堆用要求的指标），那么 靶丸中大概需要有1mg的DT装料。 要想得到较高的燃烧率，燃料应达到较高的R值和 靶丸应具有其他较好的特性。 R值越大，燃料燃 烧就越充分。 进行有效的热核燃烧，燃料的R值应在0.33g/cm2 之间，较大的R值意味着要对靶丸进行高度的压缩。 3、中心火花塞（点火器） n 靶丸中的燃料并不是一下子全部聚变燃烧起来，

8、 因冲击波在靶丸中心会聚，首先使中心的“火花 塞”的密度R值达0.33g/cm2以上、温度达到 5keV以上的聚变条件，率先点火燃烧。 n 火花塞的质量仅占燃料的一小部分（10%），率 先点燃的优越性在于能降低对驱动器能量和点火 温度的要求。 n 其作用就像一个点火器，点燃后，其聚变产物在 周围燃料中的能量沉积，进一步将四周的燃料点 燃，形成一个由内向外传播的球形热核燃烧波。 4、驱动器脉冲形状和冲击波序列 为了对燃料进行等熵的、高密度的压缩，需要一 系列强度逐渐增大的冲击波，并且还要对它们在时 间上进行适当的调制，以便它们在达到最大压缩的 时刻能同时到达靶丸中心。 一般来说，驱动器脉冲波形在

9、开始时刻要低功率， 脉冲的尾部要求高功率使脉冲最后达到坍塌。 V1V0V P0 P1 P P1=H(V1，P0，V0)，H曲线 P1=P(V，S)，绝热曲线 PV曲线下面的面积表示压缩气体所需要的功， H曲线位于绝热线之上，这意味着通过一次冲击波 压缩比绝热（等熵）压缩需要做更多的功。冲击波 越强， H曲线偏离绝热曲线越远，则冲击波压缩 需作更多的功。这就是说强冲击波进行压缩是不合 算的。 另外系统的熵随冲击波的强度做对数增加，在弱 冲击波条件下，压缩几乎是等熵的，即 1 0 1 0 p S p ， u研究表明，对于球形的向中心汇聚的冲击波，一 次压缩能产生30多倍的压缩比，即密度增大30多

10、倍。 u若继续采用这种方式使燃料经过多次冲击波的压 缩，就能达到越来越高的密度以达到热核燃料燃 烧的条件。 u同时，从前面的结果可以知道，强冲击波压缩是 不等熵的，但却能大大地提高燃料的温度，表明 简单的强冲击波更适用于热斑的点火。 n 于是可以产生一连串强度越来越大的冲击波，同 时在时间上调节使它们在达到热斑之前，后继的 波不会超越前面的波，后面的追赶前面的，而且 同时在靶芯会聚。 n 这就要求对应的驱动器脉冲幅度逐渐上升并均匀 地沉积在靶丸表面上。 n 但实现起来还有很大难度。 P 时间t /ns 功率功率 /TW 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 1.75 2.5 3.75

11、 5.0 6.75 7.5 时间 /ns 5、聚爆速度和驱动器能量沉积 假设燃料在较低的温度（keV）下燃烧，那么 燃料离子的热速度约为3107cm/s，这是靶壳聚爆 应具有的速度，驱动器大约要在靶丸中沉积20MJ/g 的比能量。 假设消融体以大约相等于聚爆的速度喷射，于是 所需的驱动器的输入能量是： 2 20MJ g4 D ER 式中是驱动器粒子在靶物质中的射程，是吸收 物区物质的密度。 对求解得： 2 420MJ g20MJ g PI R 式中P为驱动器脉冲的平均功率，为脉冲长度，I 为平均功率密度。有效的聚爆功率密度I要近似达到 1014W/cm2，约为20ns，这样约为100mg/cm

12、2。 这一数值大致与轻粒子和重离子在冷物质中的射 程相当。短波长的激光也可以达到这一数值。 6、瑞利泰勒不稳定性的限制 n 在聚爆期间，较轻的燃料层和外围的较重的护持层 之间的界面，很可能发生瑞利泰勒不稳定性。将 可能破坏稳定的压缩，降低聚爆效率，甚至使点火 熄灭。 n 初步分析认为，薄靶、壳界面间存在大密度差、大 加速度和短波长扰动最易发生不稳定性。 n 因此，在设计时靶丸的纵横比要小一些；尽量避免 高密度壳层与低密度壳层的直接接触，在他们之间 可以加一过渡层来减少密度梯度等。 7、防止燃料的预热 l 驱动器打靶时，燃料的任何预热都将降低聚爆效率 和压缩所能达到的峰值，最终降低靶丸的能量增益

13、。 希望压缩过程是等熵的，且在最终的坍塌之前燃料 应保持相对冷的状态。 l 预热是由于驱动器束流在靶外层产生的超热电子或 X射线的直接沉积，或者是聚爆冲击波对燃料的过 早加热。 l 为了避免预热，要设法将燃料屏蔽起来，使之与辐 射隔开。措施是包围燃料的护持层要有适当的厚度， 或者是采用内、外护持层。 三、某些特殊靶的设计 一种中空的球体， 由单层薄玻璃壳和 壳内充约30个大气 压的低密度的D-T 气体组成。 玻璃微球靶丸 1、玻璃微球靶（爆炸推进器靶） 典型的玻璃微球靶丸的聚爆动力学为： u驱动束入射在靶丸上，在脉冲初期逆韧致吸收是其 主要的加热机制。 u整个玻璃壳的迅速受热膨胀产生大量的低Z

14、冕，导 致共振吸收的增强，于是有大量的热电子发生。 u热电子和超热电子被阻滞于玻璃壳中，而能量更高 的电子可以贯穿整个靶丸透射出去。 u为了得到最佳的中子产额，要求驱动器脉冲能在壳 爆炸发生前上升到峰值，以便产生一个超前于它的 强大的冲击波进入D-T燃料中进行加热和压缩。 u产生的热电子提供大量的能量去驱动玻璃壳聚爆。 激光入射 产生超热电子 靶壳爆炸，一半向外， 一半向内 D-T燃料压缩、加热到聚 变条件，点火燃料，燃 料波在整个靶中传播 玻璃微球靶对驱动器脉冲并不十分苛刻：脉冲无需 特地成形，照明无需严格对称，靶丸本身也不一定要 有太高的制作精度，因此这种靶丸比较容易生产。它 们的聚爆特性

15、能完全使用X射线、离子和中子诊断技 术来进行全面的研究。 它对研究驱动束流同靶物质的相互作用、热电子的 输运禁阻、快电子的产生和输运、聚爆动力学等，都 是非常重要的。 缺点： （1）不能对燃料进行有效的压缩； （2）激光在靶中的吸收效率低，只有1/4的吸收能变 成有用的功。 于是，进一步设计高增益的靶丸就势在必行了。 2、高增益聚变靶丸 高增益靶丸一般具有多层结构，其最外层是由低Z 物质构成的消融层，中间层是由高Z物质构成的推进 层，再里面才是燃料层。 这类多壳层靶适用于高能量、高功率密度的驱动 器，又因驱动器的不同而有所差异。 （1）激光聚变靶丸 最外层是LiH消融层，TaCOH组成推进层，

16、再里面 是悬浮的D-T燃料层（纵横比为35）。 消融层与推进层物质的密度大体上相当，有助于 避免流体力学不稳定性。 推进层是浸渍了高Z 物质的塑料（TaCOH）， 它对电子有较强的阻止 本领。 最里面悬浮着一个含 有D-T燃料的小的金包 囊，这就是中央点火器 或“火花塞”。 在外推进层和内推进 层之间用真空、充气或 填充泡沫塑料隔开。 激光聚变靶丸 这种靶丸的聚爆动力学为： 激光在LiH消融层中被吸收，将外推进层和外燃料层 向中心聚爆，并将点火器压缩、加热到点火条件。点火 器外面的金包层，能阻止激光产生的超热电子和外燃料 层中产生的X射线，从而降低中心点火器的点火温度。 点火器燃烧后，燃烧波再

17、进一步加热已挤压在其周围的 外层D-T燃料。 优点： 这种有双层推进器且有中心点火器的靶丸，将大大改 善其聚爆性能，有中心点火器就允许初始冲击波的速度 低一些，壳层间的速度倍增又允许外壳以较低的速度聚 爆。这种靶丸将使激光能得到高效的利用和产生很高的 增益。 这种靶丸的问题： 外层燃料和点火器的金包壳在聚爆过程中可能会 发生混合； 多壳层靶的制造在技术上很复杂：各壳层要求均 匀、同心，壳层间的支撑（采用薄片或辐条）要考 虑流体力学不稳定性的要求，表面抛光、中心点火 器的金包囊悬浮等，都有很高的技术难度。 （2）离子束靶丸 靶壳是由Pb组成的护持 层 ， 一 个 低 密 的 塑 料 （TaCOH

18、）推进器（消融 器）和一层冻结的D-T燃 料层相邻，以减少推进层 和燃料层之间的密度差， 靶的纵横比是10。 聚爆过程为： 驱动粒子束打在靶上，由于离子能量沉积存在 Bragg峰，它们将被Pb护持层和TaCOH推进器所阻止。 Pb壳的作用是作惯性缓冲以改进聚爆效率。 推进器驱动燃料向中心聚爆，大部分燃料基本上沿 着等熵线压缩。燃料内缘最初降压进入中空部分直至 达到中心，接着它被反射回来与大部分燃料碰撞再被 反射回中心。 多次反射结果将燃料内层（只占全部燃料的一小部 分）等熵压缩，然后全部燃料被压缩直至中央部分点 火。 优点： 结构简单，比多壳靶易于生产； 低密度推进器可以更好的抑制流体力学不稳定性， 从而改善推进器和燃料的混合问题； 由于粒子束的能量转换效率较高（约25%），以 几MJ的输入能，得到约100倍的能量增益是相当不 错的。 为达到同样的射程，较重的离子必须有较高的输 入能。 3、黑洞靶（空腔靶） 由来： 对于直接驱动方式，即驱动束直接辐照在靶丸 表面引起靶壳烧蚀消融产生聚爆压缩，这种驱动 方式驱动束的能量利用效率低，难