[科普中國]-慣性約束聚變靶

慣性約束聚變介紹

利用驅(qū)動(dòng)器提供的能量引發(fā)熱核燃料產(chǎn)生熱核聚變反應(yīng)并利用物質(zhì)慣性延續(xù)一段時(shí)間的方法。慣性約束聚變系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)器、靶室、球形燃料靶丸和實(shí)驗(yàn)診斷設(shè)備組成。球形燃料靶丸置于靶室的中央，靶丸一般內(nèi)充氘氚燃料，半徑約為幾百微米至毫米量級(jí)。驅(qū)動(dòng)器包括高功率激光器和粒子束兩大類，目前主要采用高功率激光器。激光器輸出的激光脈沖要求形狀和寬度可調(diào)，多路輸出，各路輸出的功率達(dá)到高度平衡，并具有高的瞄準(zhǔn)精度。驅(qū)動(dòng)方式主要有兩種：直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)。直接驅(qū)動(dòng)要求多路激光盡量均勻地輻照靶丸。間接驅(qū)動(dòng)則是先將激光能量轉(zhuǎn)變?yōu)檐沊射線能量，由后者均勻驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆靶丸，故又稱輻射驅(qū)動(dòng)。

慣性約束聚變的基本原理是：驅(qū)動(dòng)源燒蝕靶丸外殼產(chǎn)生內(nèi)爆，引發(fā)熱核反應(yīng)。當(dāng)靶丸的燒蝕層加熱和向外面的真空膨脹時(shí)，為了保持動(dòng)量守恒，其他未燒蝕的部分則向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。靶丸的行為宛若激光燃燒的球形火箭那樣產(chǎn)生反向壓力，驅(qū)動(dòng)一系列的球形聚心沖擊波會(huì)合于球心附近，將靶丸內(nèi)的氘氚(DT)主燃料層內(nèi)爆壓縮成高密度的等離子體狀態(tài)，達(dá)到液態(tài)氘氚密度的一萬倍左右，中心氘氚的溫度達(dá)到5～10keV左右。然后，依靠燒剩的外殼和燃料本身向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的慣性將這種高密度狀態(tài)維持一段極短的時(shí)間。在中心局部區(qū)域?qū)崿F(xiàn)熱核點(diǎn)火后，由中心區(qū)域產(chǎn)生的熱核聚變能量進(jìn)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(shí)間約秒的量級(jí)。氫彈也是依靠熱核燃料和它周圍物質(zhì)的慣性將高溫高密度的等離子體狀態(tài)維持一段相當(dāng)短的時(shí)間而實(shí)現(xiàn)熱核點(diǎn)火和熱核燃燒的。但是氫彈爆炸是不可控的熱核聚變反應(yīng)，而慣性約束聚變則是人工可控的熱核聚變反應(yīng)。

由于DT的聚變反應(yīng)率最大，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的能量要求相對(duì)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?nèi)剂?。慣性約束聚變是一種可控?zé)岷司圩?。如果每秒鐘?～6發(fā)的重復(fù)頻率打這種靶丸，那么聚變產(chǎn)物攜帶的能量可以作為蒸汽熱循環(huán)的熱源，驅(qū)動(dòng)一臺(tái)產(chǎn)生1GW電力的聚變反應(yīng)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(qū)動(dòng)源干凈、安全的理想聚變電站。

然而，慣性約束聚變首先要研制大型裝置，然后是如何在極短的時(shí)間內(nèi)(約10～20ns)將驅(qū)動(dòng)能量輸送到直徑約為1mm量級(jí)的非常小的燃料靶丸中去，實(shí)現(xiàn)熱核聚變。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)單發(fā)高增益之后，還必須解決提高驅(qū)動(dòng)器效率和重復(fù)頻率問題，最后才是建立聚變電站的問題。它是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)科學(xué)工程，研究內(nèi)容包括靶物理的研究和靶丸設(shè)計(jì)；大能量、高功率、高效率的、脈沖形狀和寬度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)源的研制；靶制備工藝研究；診斷測(cè)量技術(shù)的研究；以及聚變堆與聚變電站的設(shè)計(jì)和建造等2。

慣性約束聚變靶的設(shè)計(jì)慣性約束聚變靶的結(jié)構(gòu)決定了束-靶耦合與爆聚物理的特征，無疑是慣性約束聚變的核心部分。靶的設(shè)計(jì)要用一維或二維流體力學(xué)編碼進(jìn)行大容量的計(jì)算機(jī)模擬才能完成，美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室所編制的稱為“LASNEX”的二維多群能量輸運(yùn)磁流體力學(xué)程序是最著名的靶設(shè)計(jì)編碼。由于在表面光潔度、同心度、材料成分及殼層結(jié)構(gòu)等方面的苛刻要求，慣性約束靶的制造與質(zhì)量檢測(cè)是一項(xiàng)涉及到高精密工藝技術(shù)的艱難課題。

在慣性約束聚變中，有兩類基本的靶設(shè)計(jì)模式：①直接驅(qū)動(dòng)靶，靶的外殼層在吸收了入射的激光或帶電粒子束能量后，將直接驅(qū)動(dòng)爆聚；②X射線驅(qū)動(dòng)靶，靶在吸收了入射的激光或帶電粒子束能量后，首先是將其轉(zhuǎn)換成軟X射線輻射；然后，再利用內(nèi)含在靶腔體中的輻射，對(duì)稱地驅(qū)動(dòng)置于腔體內(nèi)的燃料球丸爆聚。因而，這類靶也稱為非直接驅(qū)動(dòng)靶。在X射線驅(qū)動(dòng)靶中，即使是利用較少路數(shù)的激光或帶電粒子束的非對(duì)稱輻照，也易獲得高度球?qū)ΨQ的爆聚。正是利用這類靶設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了前述的100倍液態(tài)密度的高密度壓縮。在實(shí)驗(yàn)上，還廣泛進(jìn)行了激光轉(zhuǎn)換成X射線輻射的基礎(chǔ)研究，已證實(shí)利用短波長激光可以獲得相當(dāng)高（如50%以上）的能量轉(zhuǎn)換效率。由于這種靶的結(jié)構(gòu)和核武器有更密切聯(lián)系，所以X射線驅(qū)動(dòng)靶的具體設(shè)計(jì)仍處在保密的階段。在不保密的直接驅(qū)動(dòng)爆聚的研究中，已提出過多種靶設(shè)計(jì)。例如，早期的激光壓縮實(shí)驗(yàn)廣泛使用內(nèi)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(jìn)”型的結(jié)構(gòu)較簡單的靶中，爆聚實(shí)際上是由射程與玻殼壁厚相當(dāng)?shù)某瑹犭娮铀?qū)動(dòng)。這類靶不可能實(shí)現(xiàn)高密度爆聚。而能夠達(dá)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(jié)構(gòu)遠(yuǎn)為復(fù)雜的多層復(fù)合靶，它的制造技術(shù)和工藝十分復(fù)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(jī)材料、各種摻雜材料(如梯度材料、化學(xué)或物理摻雜材料、高強(qiáng)度靶丸殼材料)、氫同位素低滲透率有機(jī)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(zhì)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?nèi)剂稀?3)反應(yīng)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(hù)材料。(4)激光吸收、X光轉(zhuǎn)換材料，如納米復(fù)合與混合材料以及其它新型激光、X光吸收轉(zhuǎn)換材料等。(5)特殊效應(yīng)模擬的材料，如LiH和BeH2低密度微結(jié)構(gòu)及其新型替換材料等。(6)裝配材料及靶制備工藝材料，重點(diǎn)是研究各種高強(qiáng)度的微細(xì)薄膜的支撐絲、支撐膜(包括碳纖維、蜘蛛絲(spider)、網(wǎng)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(qiáng)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(chǔ)、基準(zhǔn)物理實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)材料、腔填充材料(密度≤3mg/cm3有機(jī)氣凝膠)以及狀態(tài)方程研究中的特殊規(guī)格、特殊結(jié)構(gòu)材料等3。

慣性約束聚變靶制備技術(shù)與工藝制靶技術(shù)與工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，由于靶物理實(shí)驗(yàn)對(duì)微靶的尺度、工藝指標(biāo)、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(nèi)容有：

(1)靶丸制備技術(shù)和工藝，包括玻璃、塑料(PS)，Be及B4C等材料球殼制備，多層球(如CxHyRz/PVA/PS，Al/PS/CxHyRz/SiO2，Al/SiO2，BeD2/PVA/SiO2/DT冰等)技術(shù)及工藝；橢球以及非球形靶丸；雕刻和埋點(diǎn)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(shù)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、臺(tái)階靶、調(diào)制靶、埋點(diǎn)靶加工，以及掃描隧道顯微鏡(STM)微加工。這些技術(shù)和工藝涉及到芯軸制備的超精密機(jī)械加工、外殼制備的電鍍、真空鍍膜以及光刻等內(nèi)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(jī)械研磨、機(jī)械化學(xué)研磨、研拋、外接能式浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工等)、復(fù)合超精密加工(超精密振動(dòng)切削、電解超精密加工)以及超精密微細(xì)加工(電子束、離子束、激光束、X射線蝕刻等)。

(3)低溫靶技術(shù)及工藝，包括直接和間接驅(qū)動(dòng)冷凍靶的均勻液體、固體燃料層的原理和技術(shù)；高壓充氣裝置；以及打靶耦合系統(tǒng)的研究。

(4)裝配工藝，以研制各種微靶的裝配技術(shù)和工藝為主，并開展自動(dòng)、半自動(dòng)裝配臺(tái)以及智能化微機(jī)器手研究和放射性材料裝配技術(shù)、靶物理實(shí)驗(yàn)中的激光打靶精確定位與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)研究工作。這些研究內(nèi)容一部分是現(xiàn)有的普通加工設(shè)備和技術(shù)所不能完成的，有很大一部分屬于亞微米、甚至納米的工藝制備技術(shù)3。

慣性約束聚變靶丸按靶物理設(shè)計(jì)的要求，激光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(qiáng)度、均勻性好且能在較長時(shí)間內(nèi)保存住熱核燃料等性能。要制備出符合上述特性的燃料容器，需要發(fā)展專門的制備技術(shù)和方法1。

慣性約束聚變中包容氘氚(DT)熱核燃料的微型小球。基本結(jié)構(gòu)為外面一層固體外殼，由玻璃、金屬或塑料組成，作為燒蝕層和推進(jìn)層；里面一層是燃料層，由氘氚冰或其他含氘氚的材料組成；最里面充以氘氚氣體。聚變能量即由氘氚燃料產(chǎn)生。

慣性約束聚變靶丸根據(jù)研究工作的需要可以有各種不同類型的結(jié)構(gòu)和不同的尺寸，在靶物理研究中最常用的是玻璃或塑料殼內(nèi)充氘氚氣體的靶丸。目前美國NOVA激光裝置上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)所用的靶丸多數(shù)是塑料殼靶丸，其外半徑尺寸約為0.5mm左右，外殼厚度約為幾十微米，內(nèi)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(nèi)表面上，可以提高內(nèi)爆氘氚壓縮密度，這種靶丸多用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和能量增益。還有一種是多層靶丸，由多層不同材料構(gòu)成的外殼，內(nèi)充以氘氚燃料。直接驅(qū)動(dòng)靶一般只由靶丸構(gòu)成，間接驅(qū)動(dòng)靶構(gòu)造比較復(fù)雜，里面是靶丸，外面有一個(gè)重金屬(一般為金)圓柱(或其他形狀)黑腔，目的是使激光高效率地轉(zhuǎn)換成X光。黑腔使輻射不至跑掉，并通過輻射輸運(yùn)將X光改造為平衡譜。靶丸的研制是一項(xiàng)高技術(shù)，需要有高精密加工和測(cè)試診斷技術(shù)，需要高精密的金剛石車床等高精密的設(shè)備4。