快点火与超强激光等离子体相互作用问题

王贵 ,科学时报 ( 第 5 版 ) , 1999 年 8 月 2 日 [ WAN G Gui.
Science Times(fifth page) ,1999 ,August 2 (in Chinese) ]
快点火与超强激光等离子体相互作用问题 3
常 铁 强
( 北京应用物理与计算数学研究所 北京 100088)
考
文
献
Wallace J . Laser Focus World , 1999 (6) :24 Hogan H. Photonics Spectra , 1999 (7) :34 Sheppard L M. Photonics Spectra ,1999 (7) :28 Wheeler M D. Photonics Spectra , 1999 (2) :41 J u G , Nurmikko A V. Phys. Rev. Lett . , 1999 ,82 :3705 Hau L V , Harris S E , Dutton Z et al . Nature , 1999 , 397 : 594 Kash M M , Sautenkov V A , Zibrov A S et al . Phys. Rev. Lett . , 1999 ,82 :5229 Budker D , Yashchuk V , Zolotorev M. Phys. Rev. Lett . , 1998 ,81 :5788 Boller K 2J , Imamoglu A , Harris S E. Phys. Rev. Lett . , 1991 ,66 :2593
ing) ;在高密度燃料的边沿产生足够数量的高能量电子 ( MeV) , 这些电子的传输加热等 . 文章简短地讨论这些问题 , 并
研究了几十 kJ 激光能量实现点火的可能性 . 关键词 快点火 , 预压缩 , 超强激光等离子体相互作用
FAST IGNITION AND UL TRAINTENSE LASER PLASMA INTERACTION
2 λ μm2 / cm2 ) . Fast ignition is superior to traditional‘hot spot ignition’ ultraintense laser beam (of I ≈10 18 —20 W
in many aspects in t he precompression stage ; it drastically reduces t he energy required for precompression ( about ten times) , relaxes t he requirement of drive uniformity , and is able to reach higher energy gain. However , igni2 tion by ultraintense laser is very complicated. It involves boring a hole in t he precompressed plasma , generating intense hot electrons wit h MeV energy , transporting t hem in t he dense plasma and heating t he high2density core to meet ignition conditions. These problems are briefly discussed and t he possibilit y of ignition wit h laser energy
Harris S E , Hau L V. Phys. Rev. Lett . , 1999 ,82 :4611 Yamamoto K , Ichimura K , Gemma N. Phys. Rev. A , 1998 , 58 :2460 Feng D , Ming N B , Hong J F et al . Appl. Phys. Lett . , 1980 ,37 :607 Yablonovitch E. Phys. Rev. Lett . , 1987 ,58 :2059 Kleppner D. Phys. Rev. Lett . , 1981 ,47 :233 Koester C J , Snitzer E. J . Opt . Soc. Amer. , 1963 ,53 :515 Bosenberg W R , Drobshoff A , Alexander J J et al . Opt . Lett . , 1996 ,21 :1336 Whipple C T. Photonics Spetra , 1998 (7) :30
物理
less t han 100kJ is explored. Key words fast ignition , precompression , ultraintense laser interaction
1 引言
用热核聚变释放的能量解决能源问题是人类追 求的理想 ,为此已经奋斗了半个世纪 ,主要在两个方 面进行研究 : 磁约束和惯性约束 . 磁约束聚变 ( mag2 netic confinement f usion , 简称 MCF ) 希望用具有一 定构形的装置和磁场位型将高温 ( 几个 keV ) 氘氚等 离子体箍缩 , 稳定地产生热核反应 , 如托卡马克装 置 . 由于磁场达不到很高 ,热核粒子的密度就不能太 高 ( 1013 —15 / cm3 ) , 设计的目标是长时间稳定运行 . 惯性 约 束 聚 变 ( inertial confinement f usion , 简 称 ICF) 则不同 , 走的是高密度道路 , 反应粒子的密度 要达到大约 1026 / cm3 , 持续时间大约为 10 - 9 s , 因 此 ,作为能源的运行方式是脉冲式的 ,例如每秒发生 几次 . 本文讨论的是惯性约束聚变 , 研究也有 20 多 年的历史了 , 已经取得很大的进展 , 可望在不到 10 年实现点火 . 点火就意味着局部区域热核反应产生 的能量能加热本身及周围的部分冷燃料达到热核反 应所需的温度 ,为继续反应创造了条件 . 点火是高增 益靶设计的基础 . ICF 的驱动源 ,原则上可以是光或 粒子束 ,但目前研究最多的是激光 [ 将来的热核反应 堆驱动源是什么 , 尚无定论 , 离子束 、 半导体激发的 激光 ( DPL ) 、 Kr F 激光 、 Z 箍缩都有可能 , 最被看好 μm 的钕玻 的是重离子束 ] , 而且是短波长 , 如 0135 璃激光 . ICF 是由靶丸的内爆实现的 . 最简单的靶丸 由推进层和芯部燃料区组成 ( 燃料为 D T ,目前实验 多用 D T 气 ,将来要用贴于推进层内壁的 D T 固体 层 ,推进层则多为塑料或玻璃 ) , 是一个毫米大小的 球 . 驱动源均匀地作用于推进层 ,使外表面加热向外 膨胀 ( 称为烧蚀) ,由于动量守恒 ,就会有一个冲击波 向靶丸内部传播 , 压缩 D T 物质达到产生热核反应 所需要的密度和温度 ,并持续一定的时间 . 因此它是 靠物质的惯性创造条件和维持热核反应的 . 惯性约 束聚变又分为直接驱动和间接驱动两种方式 , 前者 要求足够多束的激光尽量均匀地辐照靶丸 ; 后者则 要求先将激光能转换为软 X 光 , 由 X 光烧蚀靶丸 , 因此又称为辐射驱动 . 激光转换 X 光是通过黑腔靶 ( hohlraum) 实现的 . 目前采用的黑腔多是柱形 , 由高 Z 材料制成 ( 例如 Au) ,以提高激光吸收和 X 光转换 效率 . 柱腔的两个端面各有一个激光入射孔 ,聚变靶
3 国家高技术惯性约束聚变主题 、 国家自然科学基金资助项目 (19735002)
2000 - 01 - 24 收到初稿 ,2000 - 05 - 31 修回
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29 卷 ( 2000 年) 10 期
丸则放在黑腔的中央 . 激光通过入射孔进入黑腔 ,辐 照黑腔的内壁 , 被吸收和转换为 X 光 , X 光经过输 运作用于靶丸 . 间接驱动的优点在于 X 光输运快 , 容易做到均匀驱动内爆 , 而且 X 光烧蚀深度大 , 对 于内爆压缩流体力学不稳定性 ( 如 Rayleigh2 Taylor 不稳定性) 具有较好的抑制作用 . 流体力学不稳定性 对内爆是最大的威胁 , 而这正是直接驱动的困难之 处 . 间接驱动的缺点是总的激光能量利用效率较低 . 经过多年的研究 , 特别是 Nova 激光器上的靶物理 实验和美国利用地下核试验进行的 Halite/ Cent uri2 on 计划 ,间接驱动实现点火是有较大把握的 , 需要 ω0 激光能量 . 相应的激光器 N IF ( na2 1— 2MJ 的 3 tional ignition facility ) 正在建造 ( 118MJ ,192 路 , 峰 值功率约 500 TW) [ 1 ] . 以直接驱动方式实现点火需 要多少能量尚待进一步确定 . 直接驱动的能量利用 效率高 ,但其关键问题是内爆过程的流体力学不稳 定性 ,如果均匀辐照问题不能很好解决 ,点火所需的 激光能量也可能不比间接驱动低 . 直接驱动是否可 行 ,关键是需要有直接的实验证明 . Rochester 大学 的 45kJ 的 Omega 激光器是为此目的建造的 , 但其 实验情况还不是非常清楚[ 2 ] . 近年来提出的快点火[ 3 ] 为实现点火提出了新 的思路 . 它将整个过程分为独立的两步进行 : 先对靶 丸进行压缩 ,达到所需要的高密度 ( 预压缩) ,再加热 芯部达到点火条件 , 并分别由多束驱动内爆的激光 ( 10 13 —14 W/ cm2 ) 和 超 强 点 火 激 光 ( λ I 2 ≈ 1018 —20 μm2 / cm2 ) 实现 . 这种方式具有如下优越性 : 大大 W 降低了压缩所需要的驱动能量 , 同时降低了驱动压 缩的对称性要求 , 为较低驱动能量达到点火提供了 可能 . 但是 ,另一方面 , 利用超强激光点火是非常复 杂的过程 ,存在一系列物理的和技术上的困难和不 清楚之处 . 下面我们先研究预压缩内爆 ,然后再讨论 超强激光和等离子体相互作用的问题 .
究为纽带 ,光子学与生命科学Baidu Nhomakorabea交叉结合必将开拓 出光辉灿烂的未来 . 参
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好诚 . 科学时报 ( 第 2 版) ,1999 年 7 月 28 日 [ HAO Cheng.
Science Times(second page) ,1999 ,J uly 28 (in Chinese) ] Ceriani M F , Darlington T K , Staknis D et al . Science , 1999 ,285 :553
摘 要 “快点火” 是近年来提出的激光聚变点火的一种新方式 . 它的特点是靶丸的压缩和点火分开进行 : 第一步
2 λ μm2 / cm2 ) 加热芯部实现点火 . 和 由通常的多束激光对称辐照靶丸获得高密度 ; 而后由单束超强激光 ( I ≈ 1018 —20 W
传统的 “热斑点火” 比较 , 快点火在压缩方面具有很多优越性 :大量节省驱动能量 , 降低了对驱动均匀性的要求 , 并且可 以达到更高的能量增益 . 但是超强激光点火却涉及一些非常复杂的问题 : 在预压缩形成的等离子体中打洞 ( hole bor2
CHAN G Tie2Qiang
( Instit ute of A pplied Physics and Com putational M athem atics , Beiji ng 100088)
Abstract Fast ignition is a recently proposed new scheme for realizing ignition of inertial confinement fusion , in which t he compression of an implosive capsule and its ignition proceed separately. First , t he fusion pellet is pre2 compressed by multiple beam lasers in t he conventional way to a high density , t hen ignition is realized by a single