激光惯性约束核聚变历程回眸

章ꎬ总结了利用激光束内爆来实现聚变的相关研究ꎬ该文章基于 ＤＴ 裸滴或者壳层的直接驱动内爆ꎬ指出在假定
燃料 是 费 米 简 并ꎬ 而 且 产 额 不 因 热 电 子、 不 对 称 性 或 流 体 动 力 学 不 稳 定 性 而 下 降 的 情 况 下ꎬ 就 可 以 吸 收 近
１０ １７ Ｗ / ｃｍ２ 的激光强度发生内爆ꎬ如果达到了足够的压缩ꎬ１ｋＪ 的驱动能量就可以获得大于 １ 的能量靶增益ꎮ
１９７５ 年ꎬＬｉｎｄｌ 和 Ｍｅａｄ 在 ＰＲＬ 上发表文章表示:直接驱动靶丸具有的 Ｒ￣Ｔ 不稳定性增长速度远高于 １９７２ 年所假
定的速率ꎻ在点火所需的 １ 到 １００ｋＪ 高强度激光下ꎬ吸收下降和超热电子产生将严重使直接驱动内爆品质下降ꎻ
激光束的质量也比直接驱动所需的内爆均匀性可允许的量值差很多ꎻ对于直接驱动内爆ꎬ激光束的非均匀性将给
点火点附近的各种物理过程和实现点火的方式ꎬ以期未来可以实现真正的聚变点火ꎬ同时大型激光
驱动器也推动了高能密度物理研究的发展ꎬ实验结果表明ꎬ当前惯性约束核聚变研究正处于困难和
机遇共存的阶段ꎬ本文对惯性约束核聚变以及大型激光驱动器的发展历程进行回顾ꎬ并对实验的结
果进行简单综述ꎮ
关键词:激光驱动器ꎬ惯性约束核聚变ꎬ间接驱动ꎬ直接驱动
中图分类号:ＴＮ ２４４ 文献标志码:Ａ 文章编号:１００１ － ２４４３(２０１８)０２ － ０１０３ － ０７
引 言
自从发现热核聚变是太阳的能源后ꎬ科学家们就已经梦想能驾驭这种聚变的能量ꎬ但是将氢原子和氘氚聚合
到一起ꎬ形成氦核并释放出巨大的能量ꎬ同时形成可持续的自持燃烧ꎬ这一过程在地球上是极难实现的ꎮ 实验揭
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安 徽 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
２０１８ 年
果ꎬ但是也遇到了诸多的困难ꎬ这些困难尤其是体现在如何克服实验过程中所遇到的不稳定性、以及利用当前装
置实现真正意义上聚变点火的过程和手段方面等 [４ꎬ５] ꎮ 本文将对 ＩＣＦ 的研究以及激光驱动器的发展作一回顾ꎬ
并对 ＩＣＦ 研究所面临问题简单综述ꎮ
作者简介:谢兴龙(１９６８—) ꎬ男ꎬ安徽太和县人ꎬ安徽师范大学物理系 １９８６ 级校友 博士ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎬｘｉｅｘｌ３２９＠ ｍａｉｌ. ｓｈｃｎｃ. ａｃ. ｃｎ
引用格式:谢兴龙 激光惯性约束核聚变历程回眸[ Ｊ] 安徽师范大学学报( 自然科学版) ꎬ２０１８ꎬ４１(２) :１０３ － １０９
Ｖｏｌ. ４１ Ｎｏ. ２
Ｍａｒ . ２ ０ １ ８
ＤＯＩ:１０. １４１８２ / Ｊ. ｃｎｋｉ. １００１ － ２４４３. ２０１８. ０２. ００１
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激光惯性约束核聚变历程回眸
谢兴龙
( 中国科学院 上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室ꎬ上海 ２０１８００)
摘 要:惯性约束核聚变是获取聚变能的一种可能途径ꎬ随着更大型激光驱动器的建成ꎬ正在探索
的结果对间接驱动增强了信心ꎬ进一步推动了由均匀辐照的直接驱动方案向间接驱动的两边照射方案的转变ꎬ从
１ ＮＩＦ 与 ＯＭＥＧＡ 的使命
利用高功率激光驱动聚变反应的研究ꎬ是美国核安全计划的一部分ꎬ这部分的研究工作主要集中在美国里弗
摩尔实验室和罗切斯特大学ꎬ其目前的 ＮＩＦ 装置与 ＯＭＥＧＡ 装置的发展ꎬ贯穿了美国整个 ＩＣＦ 的研究过程ꎮ
里弗摩尔实验室( ＬＬＮＬ) 的 ＩＣＦ 研究最早要追溯到上世纪 ７０ 年代ꎬ１９７２ 年ꎬＮｕｃｋｏｌｌｓ 在 ＮＡＴＵＲＥ 上发表文
核材料特性研究、可压缩动力学研究、辐射流体动力学研究、惯性约束聚变手段研究等 [１ － ３] ꎮ
图 １ 两种方式的激光惯性约束核聚变示意图
惯性约束核聚变研究不但在能源方面具有重要意义ꎬ由于其研究对象以及过程的特殊性ꎬ对一个国家的国防
和战略安全也是至关重要的ꎬ因此包括美国、中国、欧盟以及英、日等其他国家和地区都投入了大量的人力和经费
出一个小尺度的空间扰动源ꎬ会在内爆过程中被进一步放大ꎬ由此将 ＩＣＦ 的研究由初期的直接驱动导向了间接
驱动ꎮ
１９７４ 年ꎬＬＬＮＬ 实验室搭建了双路的 Ｊａｎｕｓ 激光装置ꎬ将 Ｂ 积分引入来评估激光系统的最大可聚焦能量ꎬ１９７５
年ꎬ搭建了百焦耳输出的 ＣＹＣＬＯＰＳ 系统ꎬ完成了首次激光驱动辐射内爆实验ꎬ获得了约 １０ ４ 的中子产额ꎬ该实验
须受控在 １０ １１ ａｔｍ 大气压下ꎬ根据等离子体物理理论的要求ꎬ只有在获得的聚变能量至少实现得失相当ꎬ才能实
现真正意义 上 的 聚 变 点 火ꎮ 而 高 能 量 密 度 物 理 一 个 通 俗 意 义 上 的 判 据 是 指: 激 光 能 量 的 沉 积 密 度 达 到 了
１０ １１ Ｊ / ｍ３ 的情况ꎬ依据这个界定ꎬ惯性约束核聚变( 包括快点火聚变) 属于高能量密度物理的研究范畴ꎬ它包括了:
开展了相关研究ꎮ 目前美国 ＮＩＦ 装置、中国神光 ＩＩＩ 装置是正在运行的最大的激光聚变驱动器ꎬ此外还有几大激
光驱动装置正在设计和建造当中ꎬ惯性约束核聚变自从提出之后ꎬ历经 ５０ 多年的发展ꎬ虽然取得了令人振奋的结
收稿日期:２０１８ － ０３ － ０８
基金项目:中国科学院国际合作局中以合作项目(２９２０１６３１２５１１００１０１)
第 ４１ 卷第 ２ 期
２０１８ 年３ 月
安 徽 师 范 大 学 学 报 ( 自然科学版)
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ)
示ꎬ一场核爆所产生的喷射物质其高能量密度状态所呈现的压力和温度与太阳的活动同样量级ꎬ这直接催生了在
实验室内利用小型核爆来实现聚变反应以获取能量的想法ꎬ早前的研究一直集中在磁约束聚变的方法上ꎬ到了上
世纪 ６０ 年代ꎬ随着高功率激光技术的发展ꎬ美国和我国科学家几乎同时提出了利用高功率激光驱动器轰击氘氚
靶丸实现聚变反应的手段ꎬ并称之为惯性约束核聚变( ＩＣＦ) ꎮ 在惯性约束核聚变条件下ꎬ产生的等离子体燃料必