惯性约束核聚变

惯性约束核聚变原理与反应堆技术

1.惯性约束基本原理

核能可分为裂变能与聚变能。目前，核电站通过受控释放裂变能实现发电，而受控核聚变仍处于研究阶段。实现受控核聚变反应主要有两种途径：磁约束和惯性约束。后者即以下内容讨论的主题。

惯性约束（ICF），即利用高能驱动器在极短时间内将聚变燃料小球（靶丸）加热压缩到高温、高密，使之在中心“点火”，实现受控核聚变。以氢弹的爆炸为例，位于其中心的原子弹的爆炸在极短时间内将氢弹中的热核装料迅速加热和压缩到高温、高密，引起燃料的聚变燃烧。由于这一过程非常短暂，在燃料膨胀但因自身惯性还没有来得及飞散之前，聚变反应就已经发生。这种未对燃料等离子体采取任何约束措施，只依靠本身惯性保持顺利完成核聚变就是惯性约束核聚变。但氢弹的爆炸是不可控的，激光器代替原子弹点燃热核反应使ICF成为可控核聚变。

激光的能量能在时间和空间上进行高度的集中，因此能在焦点上得到非常高的功率密度。现在惯性约束核聚变研究所用的激光器多数是钕玻璃激光器。而粒子束作为惯性约束核聚变的驱动器，原理与激光一样，只不过它是以粒子束来代替激光。所以想采用粒子束，是因为它的能量转换效率比之激光要高出一个量级。

2.反应堆相关

（1）能量流程

该系统中，假设驱动器输出的能量为E D，其效率为ηD，它通过反应室壁上的入射通道击中靶丸。靶丸聚变反应，产生相当于驱动束能Q倍的能量E f。再经反应室增值层的能量倍增（增值系数为M），并以热能的形式输出。发电机的热点转换效率为ηT，发电机发出的毛电能为E g，其中一部分输入电网，另一部分再循环。整个反应堆系统的效率为ηs，其定义为：

ηs=纯电能输出/聚变反应的热能输出

系统效率可表示为：

ηs=E g（1-ε）/ME f=ηT（1-ε）[(MQ+1)E D+γ(1/ηD-1) E D]/ME f

（2）ICF聚变堆涉及的问题

1> 从理论上了解靶丸的能量吸收、反射、能量输运、压缩、不稳定性、点火和聚变燃烧等物理学。

2> 实验上获得高能量增益的关键因素的满意值。

3> 研制出高能量、高重复率、适当的脉冲形状、短波长和高效率的驱动器。

4> 制造出稳定的、精确的、廉价的、自动化的高增益靶丸生产系统。而且靶材料的选择要避免产生长寿命的放射性同位素。

5> 必须有一个经得起重复爆炸而不至于损坏的反应室（堆腔）。此堆腔能够吸收热核反应的产物——中子、X射线和靶丸碎片等的能量。它还能利用14MeV的中子去增值氚，以维持D-T反应中氚的消耗。

6> 要有一个靶丸的注入、导向和检测系统，确保靶丸以1~10Hz的频率注入反应室，而且当靶丸飞经驱动器的公共焦点时，驱动器发火，准确将靶丸击中。7> 要有一个泵浦系统。为避免入射的驱动束受到散射或衰减，该泵浦系统能在两次爆炸之间迅速地将反应室中的靶丸碎片和废气排出，使反应室重新恢复到新

一轮的工作状态。

8> 要有一个氚处理系统，以处理反应堆中增值的氚。

9> 要有一个高时空分辨的诊断、测量系统，以对靶丸的聚爆特性（如温度和密度等）和反应产物进行诊断。

到目前为止，ICF的研究工作尚处在验证其科学可行性阶段，但是近年来已提出许多ICF反应堆的设计方案。不过现在ICF设计的不确定性是很大的，因为学多关键问题尚在研究，许多技术还不成熟。

核电0502 张浩博