惯性约束核聚变

惯性约束核聚变核能的安全使用是缓解能源危机的有效途径。

相对于核裂变，核聚变具有无放射性，单位质量提供的能量多等优点，而且地球上核聚变物质储量远远多于核裂变物质储量。

实现受控核聚变。

聚变的原理：他们是利用加速器或其它方法使原子核相互碰撞, 从而得到或失去能量。

要实现受控核聚变，必须满足两个基本条件，一是必须将燃料加热到很高的热核反应温度；二是，必须在足够时间长时间内将高温高密度等离子体约束在一起。

Lawson 判据限定了实现核聚变的具体条件，即受约束的等离子体必须达到一定的密度n 、温度T 及约束时间τ。

对氘氚反应，)/(109.3311mm s n ⨯≥τ，T 约为K 810。

有两种方法，实现受控核聚变。

一是磁约束聚变（Magnectic Confinement Fusion ，MCF ），就是利用磁场将带电离子约束住，使之发生聚变的反应。

二是激光驱动惯性约束聚变，就是基于氢弹原理，即利用高能激光驱动器在极短时间将巨变燃料小球（靶丸）加热、压缩到高温、高密度，使之在中心“点火”，点燃后继核反应实现受控核聚变，从而获得干净聚变能源。

聚变过程可分为四个阶段：一、强激光束快速加热氘氚靶丸表面，形成等离子体烧蚀层；二、驱动器的能量以激光或X 光形式迅速传递给烧蚀体，使之加热并迅速膨胀；当壳体外部向外扩张时，根据动量守恒定理，剩余部分则向中心挤压，反向压缩燃料；三、向心聚爆将靶丸压缩至一定程度，使氘氚燃料达到高温、高密度状态，在靶丸中心形成热点；四、热核燃烧在被压缩的燃料内部蔓延，使主体燃料发生聚变反应，产生数倍的能量增益，从而产生大量的聚变能输出。

现在的惯性约束核聚变存在以下问题:一、激光和离子束功率没有达到足够大；二、激光必须照射均匀，小球壳本身厚薄均匀；三、目前的爆炸方法有待改进。

ICF 研究进展自从60年代初激光器问世以后，中、美、日、前苏联等国即着手激光驱动ICF 研究，多年来ICF 研究已在世界范围内取得了重要进展。

但目前仍处在科学上可行性研究 阶段，即掌握主要环节的靶物理规律，实现实验室演示点火目标。

为此需要驱动器（主要是高功率、高能量激光器）、靶物理理论和实验、精密诊断设备、靶的制备五个方面协调研究发展。

下面主要介绍美、法、日等国在激光驱动器和靶物理方面的研究发展情况。

美国从1975年至今，已建立了6代固体激光器，输出功率提高了近5个量级。

1985年建成了当时世界上最大的固体激光器NOV A ，脉宽约1ns ，10路、三倍频，能量（下同）输出约20KJ 。

1994年NOV A 完成精密化，能量升级至40KJ 。

1995年在Rochester 大学建成固体激光器OMEGA （1ns ，60路、约45KJ ）。

正在建造国家点火装置（NIF ），3~5ns 、,192路、1.8KJ ，预计2005年前后建成。

目前能源部的一个专门小组正在对NIF 的技术进行评估。

拍瓦（W 1510）装置（1ps 、1路、1KJ ）正在运行。

法国PHEBUS 装置约1ns 、2路、KJ 42⨯正在运行。

在美国帮助下正在研制百万千焦LMJ ，3~5ns ，240路，1.8MJ ，预计2010年建成。

P102超短脉冲激光器，约350fs ，1路，55TW我国1964年，王淦昌在国际上独立提出激光驱动聚变的建议，由此开始了我国ICF 研究历史。

80年代初中国科学院与当时九院合作研究促进了我国ICF 的发展。

1993年，国家高技术863计划成立了惯性约束聚变主题专家组后，规划了国家ICF 发展目标，并在驱动器、靶物理理论和实验、精密化诊断设备、靶的制备五方面研究取得了重大进展，为进一步的研究打下了重要基础。

经过早期几代固体激光器的研制，1986年建成神光一号（SG-1）———当时称为LF-12，脉宽1ns 、2路、基频能量为J 8002⨯，1994年退役；与此同时建成了星光装置（1ns 、1路），目前输出能量约100J 。

1994年决定建造∏-SG ，1ns 、8路、6KJ ()ϖ1、3KJ （ϖ3），经过改造，2000年已开始投入运行。

1996年开始进行,I∏-SG 原型概念设计。

I∏-SG 为60路、1ns 、输出到靶面的总能量为60KJ （ϖ3），它是我国进行点火前靶物理并外推到点火物理研究的驱动器，约2010年建成。

-SG的科学技术集成SG原型为2路、1ns、2~3KJ（ϖ3）装置，它是为I∏-I∏和工程过渡提供依据，2003年建成；四程放大装置、主放大器模块系统等七个分系统将于2000年建成。

为了发展我国高性能、高功率、大能量固体激光器，经过几年努力，已奠定了关键技术、高性能大尺寸元器件及加工技术等初步技术基础。

作为能源候选驱动器的天光一号准分子KrF气体激光器的研制进展良好，正在运行。

惯性约束核聚变的关键是实现π4立体角内的均匀内爆，获得高倍的靶丸压缩比而达到聚变所需的物理条件。

在聚变实现的靶场，靶丸与腔壁等物质在强激光的作用下会迅速形成等离子体，等离子体的瑞利泰勒不稳定性以及激光与等离子体相互作用不稳定性会破坏内爆的均匀性。

抑制激光与等离子体相互作用过程的不稳定性是ICF驱动激光器总体设计的物理依据之一。

激光强度分布不均匀性和等离子体密度局部不均匀性会降低靶面对激光能量的有效吸收；等离子体中的成丝（自聚焦）会造成散射光并增加内爆靶丸辐射的不均匀性；受激拉曼散射、受激布里渊散射等将产生大量有害的超热电子。

这些现象与驱动激光的照明均匀性直接相关。

入射光的空间强度分布越均匀，不稳定性越小。

因此，ICF对激光照明均匀性提出了很高的要求。

根据强激光束引燃聚变的方式不同，目前惯性约束聚变的实现方式可分为直接驱动和间接驱动两种，①直接驱动是指直接将激光能量均匀地辐照到靶上，以获得靶丸内爆的对称性和高的增益。

激光与靶壳相互作用产生的等离子体向外膨胀，其产生的反向压力驱动剩余靶壳向内运动压缩靶丸产生聚变；采用直接驱动可以通过较少的能量实现聚变点火，但对靶丸辐照的均匀度的要求十分苛刻；②间接驱动是指即将氘氚小球放在黑洞靶腔内，将激光能量辐照到靶腔的内壁上，靶腔内壁吸收激光能量产生X涉嫌，由这种强度极高的X光辐照、压缩靶丸，从而引发核聚变。

间接驱动方式对激光驱动的均匀性和对称性要求较之直接驱动要低些，但因为X光辐射输运过程降低了激光能量的利用率，因此需要的辐照激光能量要高。

惯性约束聚变驱动方式束匀滑技术在ICF系统中的应用ICF对靶面均匀辐照的要求：成功实现内爆的关键是在靶面形成球对称的烧蚀压。

八面的均匀辐照和球靶的对称完善是形成均匀烧蚀的保证。

直接驱动中，由于激光直接辐照在靶丸上，能有效地将驱动能量耦合到聚变靶丸，从而可降低对驱动能量的要求，直接驱动因此受到人们的重视。

但是，激光辐照的不均匀性会直接引起等离子体烧蚀压力不均匀。

烧蚀压力的不均匀性又会引起流体力学不稳定性，如瑞利-泰勒不稳定性等，这将破坏球靶的对称压缩，引起靶丸变形，使有效的密度半径积减少，降低靶的内爆效率，从而使现实点火条件所需的激光能量大大增加。

靶丸变形严重时还会使靶壳与燃料混合，甚至出现靶丸破裂，导致内爆失败。

由于其内爆对辐照的空间分布极为敏感，因而直接驱动对辐照的均匀性要求很高。

与直接驱动相比，间接驱动的优势是基于X光的高流动性，由于受控体约束，X光被腔壁多次吸取和再发射，易于实现靶丸的均匀辐照，并且用短波长的X光驱动内爆具有很好的流体力学稳定性。

间接驱动放松了对激光束均匀性的要求，并降低了对流体不稳定性的敏感度。

但是，间接驱动面临的问题是如何有效的抑制激光与等离子体相互作用过程中的非线性效应以及如何提高激光的注入率等问题。

在间接驱动中，激光不直接辐照球靶，但激光在腔壁上的空间分布对X射线附设厂的均匀性有影响（特别是加热初期），并且激光在腔壁上的辐照均匀性对激光—X光射线的能量转换率、以及辐射场的干净性都有影响。

光斑中的热点会导致成丝，由于丝中的激光强度比平均值高很多，从而加强了受激拉曼散射和受激布里渊散射等非线性过程，这不但会降低激光-X射线的转换率，还会产生有害的超热电子，提前加热靶丸，影响靶丸的压缩，从而在最低的压缩能量下实现尽可能高的靶丸密度。

因此，间接驱动中，为提高激光-X射线的转换效率，改善辐射场的高温性、干净性和均匀性，对靶丸实现有效地压缩，激光均匀辐照也是必须的。

直接驱动与间接驱动的物理过程不同，对束匀滑的要求也不一样。

直接驱动聚变中，为获得球靶的均匀辐照，采用能量均衡的多束高功率激光在4立体角内对称、同步地辐照球靶。

光束数、光束的空间排布、光束间的能量或功率平衡以及单光束的截面光强分布对靶面的辐照均匀性都有影响，必须对这些因素进行优化，优化的目标是使靶面的辐照不均匀性小于1%。

间接驱动聚变中，采用两部分反向对称的光束配置，每部分由多个同心圆锥组成，入射光束均匀分布于其上。

为获得内爆要求的高均匀辐照，必须优化设计腔靶的几何结构和光束的空间分布。

同时，为改善激光-靶的耦合，抑制超热电子，形成高温、干净、均匀的X射线辐照场，还必须考虑光束的匀滑。

间接驱动中的束匀滑主要是为了抑制成丝等非线性效应的产生。

因此有效地抑制激光与等离子体作用中的非线性效应就成为间接驱动对束匀滑的基本要求之一。

在光束匀滑同时要考虑到激光的有效注入。

如果不能对激光有效地注入到腔内，就不能提供足够的X射线来辐射驱动靶丸，也就无法实现自爆。

无论对间接还是直接驱动，产生巨变的关键问题在于建立一个均匀的辐射场，光束匀滑技术即是用于改善靶面的辐照均匀性。

国内外学者提出了多种束匀滑技术方案可分为：空域平滑技术和时域平滑技术。

空域平滑技术对光束进行近场微分、远场积分，控制靶面激光强度分布分布包络，消除焦斑的大尺度不均匀性，使焦斑光强分布总体上满足靶面均匀照明要求。

空域束匀滑器件有振幅型和相位型两种。

现有几种纯相位器件：透镜阵列透镜阵列均匀照位相波带片光楔阵列正交光楔列阵均匀照明系统随机位相片RPP均匀照明系统示意图相息图位相片KPP光路示意图时域平滑技术时域平滑技术是降低光束相干性的束匀滑技术。

利用宽带激光光谱色散或光束扫描技术，使焦斑上的斑纹随时间快速变化，在足够短的时间间隔内达到时间意义上的平滑，以消除小尺度的不均匀性。

时间匀滑技术包括感生空间非相干光、光谱角色散、部分相干光、电光偏转等。