浅谈惯性约束核聚变_张杰

零,也即将磁场零点定在ν=1/2处,那么所有的FQHE 态看起来和IQHE 态一样.例如,ν=1/2和ν=1/3之间的磁场间隔ΔB 正好与ν=1所需的磁场一样,也就是说,经平移以后ν=1/3态就成了ν=1态.同样ν=2/5态成为ν=2态,ν=3/7态成为ν=3态.这就是说,原来电子的FQHE 态变成了组合费米子的IQHE 态.组合费米子模型在FQH E 和IQH E 之间建立了十分直接的联系.

6　组合费米子的有效质量

众所周知,由IQHE 的能隙 ωc = e B /m ＊c 可以直接计算出电子的有效质量m ＊.那么从图11上的直线斜率也可以直接算出组合费米子的有效质量m ＊

c F1≈0.6me .它远大于电子在

导带中的有效质量.但是事情并不那样十全十美.按说将图11中能隙外推到ν=1/2处应当为零,然而现在得到的却是一个负截距.实际上在IQH E 效应中也遇到类似的情况.在实际样品中,受杂质、缺陷或者结构尺寸涨落的影响,

朗道能级的展宽使整数填充因子处的朗道能隙间距减小,同样在B =0处出现一个负截距.根据上述类比,图11中在ν=1/2处负截距大小实际给出了组合费米子所受到的散射大小.至此,可以讲组合费米子是分数量子霍尔效应中的新粒子.Stormer 认为,组合费米子的真实性一点不比超导中的库珀对差.

7　结束语

鉴于量子霍尔效应涉及深奥的物理内涵,本文只是力图从物理图像的角度粗浅地介绍它的基本性质.特别是目前对FQH E 态的研究仍在不断深入,本文所涉及的内容十分基础,不可能反映这方面研究工作的广度和深度.作者只希望借1998年诺贝尔物理学奖颁布之际,能使本刊读者对量子霍尔效应有一概括的了解.另一方面,由于本文是属知识介绍性的文章,因时间关系没有一一列出每项工作的有关文献,其目的只是想减小工作量.如有不妥之处,请予以谅解.

＊　国家高技术惯性约束核聚变委员会资助项目 1998-11-19收到初稿,1998-12-10修回

浅谈惯性约束核聚变＊

张 杰

(中国科学院物理研究所,北京　100080)

摘　要 以煤、石油、天然气为代表的化石能源终将枯竭,基于核裂变反应的核裂变能源也由于安全性和核废料的处理等问题而不尽如人意.人类期待着新的能源.受控热核聚变反应能释放巨大的能量,而且由于这种能源干净、安全,且以用之不竭的海水作为原料,因此,受控热核聚变能是人类下一世纪的能源的主要希望所在.在地球上,主要有两种方法实现受控热核聚变反应:磁约束核聚变和惯性约束核聚变.文章通俗地介绍了惯性约束核聚变的基本原理和惯性约束核聚变研究的最新进展.

关键词 惯性约束核聚变

·

142·物理

AN OVERVIEW OF INERTIAL C ONFINEMENT FUSI ON

Zhang Jie

(Institute of Phys ics,The C h ines e Aca demy of Sciences,Beijing　100080)

Abstract The fossil fuel era is almost over.If we continue to burn fossil fuels such as oil or natural gas for energy,they will last only another few hundred years.Present energy use t rends indi-cate that an energy shortfall could arise midway through the21st c entury as fossil fuels are depleted. Taming fusion will provide us with a virtually inexhaustible source of clean,acc essible energy.In this article a brief overview of inertial confinement fusion with a sumary of recent research results will be presented.

Key word inertial confinement fusion

1　引言

宇宙的能量来自核聚变反应.太阳,还有许多恒星都是天然的核聚变能源,在太阳中发生的核聚变反应给整个世界和我们的日常生活提供了能量.人类社会运转所需要的煤、石油和天然气都是亿万年以前太阳与当时的植物相互作用的产物.在地球的沉积层中,埋藏着许多远古时代的生物遗体.在缺氧、泥沙层不断增厚、内部压力和温度不断增加的环境下,经过细菌的分解作用,形成了石油、煤和天然气等“化石”能源.这些化石能源都是不能再生的.目前世界人口大约每40年翻一番,用电量也是每40年翻一番.到目前为止,人类已经用掉了地球上几乎一半的化石能源.如图1所示,按照目前人类对化石能源的要求来推算,在22世纪到23世纪这段时间,人类对化石能源的消耗将达到最大,与此同时,地球上开始出现这种化石能源供不应求的现象.到24世纪中叶,这种化石能源就会枯竭.这种严峻的现实使得人类对新能源的探索,已经从单纯的实验室中的研究项目变成了人类社会的强烈需求

.

图1　人类社会发展对能量的需求和现有的化石能源的供给随时间的变化趋势

(图中的估算的假设:世界人口稳定在100亿,每人年平均能耗为美国1985年水平的2/3)

尽管实际上世界上的所有能量都来自太阳的核聚变反应,习惯上,人们还是将“太阳能”专指把太阳光转化为热能和电能的技术.太阳能的确非常重要,但是太阳能不可能满足人类生

·

143

·

28卷(1999年)3期

活对能量的全部要求.

目前的核电站所产生的能量来自核裂变反应.这种核裂变反应所提供的能量在下个世纪的生活中将会变得越来越重要.但是,这种核电站的安全性、对环境的污染以及核废料的处理等问题的确令人大伤脑筋.

核裂变反应能是在重原子核受到中子的轰击裂变为轻原子核时所释放的能量,与此相反,核聚变反应能则是在轻原子核聚变为重原子核时所释放的能量.如图2所示,核聚变反应可以比核裂变反应释放大得多的能量.早在50年前,人们就认识到太阳和其他恒星的能量都来自核聚变反应.下面我们以氢原子的两种同位素氘和氚的聚变反应为例来说明核聚变反应.

氘和氚都带正电荷,互相排斥.因此要想把它们聚合起来,需要用很大的能量才能克服它们相互间的斥力.这需要把核燃料加热到1亿度以上,以使氘和氚有足够大的动能,但即使这样,也还不足以发生核聚变.还需要将核燃料约束到足够高的密度,以使氘和氚有足够大的机会相撞以发生聚变.核聚变反应之前的反应物氘和氚的质量大于反应之后的产物———氦和中子的质量.根据爱因斯坦的质能关系E=mc2,反应物与产物的质量差变成了聚变能(见图3).尽管在这个聚变反应中仅失去了0.38%的质量,但是在1g氘氚反应中失去的3.8m g 的质量就相当于燃烧约1.08×104L油所释放的能量

.

图2　核聚变反应与核裂变反应所释放能量的比较(核聚变反应所释放出的能量比核裂变反应

所释放的能量要大得多

)

图3　氘氚核聚变反应的示意图和氘氚核聚变反应质能平衡图

[轻元素(如氘和氚)在高温、高压下发生核聚变反应变为较重的元素(如氦或α粒子),同时释放大量的能量(相当于燃烧石油所释放的能量的1百万倍).在聚变反应过程中所释放的能量来自核聚变反应中所失去的能量,0.02原子单位的质量(amu)变为

17.6M eV的能量]

就单位质量而言,核聚变反应所释放的能

量要比核裂变反应所释放的能量大得多.在

图4中我们可以把核能与其他化石能源进行一

下直观的比较.一个发电量为100万千瓦的火

力发电厂每年的耗煤量大约为210万吨,相当

于191列由110节货车车厢组成的火车的运

量;同样的发电量,若用燃油则每年需1千万

桶,相当于10艘超级油轮的运量.而对于核裂

变发电厂来说,则需要30吨的二氧化铀作燃

料,相当于1节货车车厢的运量;相同的电量对

于核聚变发电厂来说,则仅需600公斤核燃料,

这相当于1辆轻便客货两用汽车的运量.而且,·

144

·物理

由于受控核聚变能是干净、安全、经济的能源,所以人们将下一世纪的能源主要寄希望于核聚变反应上.氢弹爆炸所释放的威力巨大的能量就来自爆炸时的核聚变反应.然而,氢弹的爆炸是大规模的核能释放,无法人工控制.在地球上实现受控核聚变反应是半个世纪以来科学家们努力追求的目标.

图4　核能与其他化石能源的比较

(1个100万千瓦发电站使用不同燃料时年消耗量的对比)

2　磁约束核聚变(MCF)和惯性约束核聚变(ICF)

目前,人们在实验室里研究核聚变反应主要采用磁约束和惯性约束两种方法(见图5).

磁约束核聚变(magnetic confinement fu-sion,MCF)主要依靠强有力的磁场将低密度、高温度的等离子体约束足够长时间以使氘氚等离子体达到核聚变反应所需要的条件.经过几代科学家的努力,目前的磁约束实验装置已经分别可以将较低温度、低密度的等离子体约束足够长的时间或者在短时间内将等离子体加热,但是如何使磁约束实验装置中的等离子体在实现长约束时间的同时也达到核聚变反应所需要的高温,目前仍是一个极大的难题.

惯性约束核聚变(inertial confinement fu-sion,ICF)则是利用高功率激光束(或粒子束)均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸,在极短的时间里靶丸表面在高功率激光的辐照下会发生电离和消融而形成包围靶芯的高温等离子体.等离子体膨胀向外爆炸的反作用力会产生极大的向心聚爆的压力,这个压力大约相当于地球上的大气压力的十亿倍.在这么巨大的压力的作用下,氘氚等离子体被压缩到极高的密度和极高的温度(相当于恒星内部的条件),引起氘氚燃料的核聚变反应.

人们希望能通过惯性约束核聚变(受控热核反应)来产生既干净又经济的能量.当把氢的同位素氘、氚加热到10keV时,它们就具有足够高的动能来穿透核的库仑势垒,从而引发核反应.与磁约束核聚变反应不同的是,惯性约束核聚变的等离子体并不需要任何的外力对其约束,而是依靠燃料自身的惯性,在高温、高压下,在氘氚燃料还没来得及飞散之前的短暂时间内引发聚变核反应.

惯性约束核聚变(ICF)和磁约束核聚变(MCF)的共同点是它们都要求高达1亿度的反应温度.二者的不同在于:惯性约束核聚变等离子体的密度极高(1026cm-3),约束时间为纳秒(10-9s)量级,与氢弹的热核反应的条件类似.而磁约束核聚变等离子体的密度则低得多,仅为1015cm-3的量级,因此,其约束时间必须长达秒的量级,以满足劳森判据(Law son crite-

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28卷(1999年)3期

图5　实验室中实现核聚变反应的两种途径:惯性约束核

聚变(ICF)和磁约束核聚变(M CF).

[这两种途径的共同点是它们都要求1亿度的高温,密度和

时间的乘积大于1014cm-3s.二者的不同在于:惯性约束核

聚变等离子体的密度极高(1026cm-3),约束时间为纳秒量级,与氢弹的热核反应的条件类似;而磁约束核聚变等离子

体的密度则低得多,仅为1015cm-3的量级,因此,其约束时间必须长达秒的量级,以满足劳森判据的要求]

rion)的要求.

3　惯性约束核聚变反应的基本原理

同其他所有的核聚变反应过程一样,惯性约束核聚变反应也必须满足劳森判据,但是在要求上它与通常磁约束核聚变又有一些区别.通常磁约束核聚变要求:n eτ>1014s cm-3,这里n e为等离子体密度,τ是反应时间.对磁约束核聚变反应来说,约束时间τ由被加热的粒子和能量弥散的时间来决定,而在惯性约束核聚变反应中,这个时间则是由等离子体的膨胀时间来决定的.在等离子体半径R膨胀25%的时间内,热核反应的速率降低一半.由此我们可以估算出热核反应时间τ～(1/4)R/C s,这里C s是等离子体的膨胀速度,由等离子体的温度决定.对应于热核反应温度10keV,C s～6×107cm·s-1,把这个热核反应时间代入劳森判据,同时用质量密度ρ代替粒子密度n e,可得变形后的劳森判据[1]:

ρR>0.2g cm-2.(1) 然而,在这样的条件下,α粒子只有约1—2个射程.对于惯性约束核聚变反应来说,由于α粒子没有受到磁场的约束,很快就会跑掉,对于5—10keV温度,氘氚的燃耗f～ρR/(ρR +6),若ρR=0.2gcm-2,这时的燃耗只有3.2%,这太不合算了.因此在惯性约束核聚变的研究中,通常要求ρR>3gcm-2,以保证燃耗f>33%.

从劳森判据估算可以得知,如果整个氘氚靶丸压缩到高温(～5keV)、高密度(～200gcm-3),则在ρR=3g/cm2的要求下,需要提供给氘氚靶丸的能量为E f=1.7M J,若想能提供真正有用的能量输出,则在效率约4%的条件下,要求驱动激光能量为E lase r≈43MJ!这显然是不容易实现的.因此,要想用现实的驱动能量来实现惯性约束核聚变,只能采用压缩的高密氘氚燃料,使其密度达到300gcm-3(相当于原来密度的1000倍),同时,这个压缩要在低温下进行,使中心处2%—3%质量的氘氚燃料形成热斑(hot spot),实现“中心点火”.此时,用兆焦耳量级的驱动能量就可以引发热核反应,释放几百兆焦耳的聚变能量.建造这样的巨型激光装置需要花费十几亿美元,这大约相当于一个大型发电厂的造价.目前,美国正在建造这样的激光装置———国家点火装置(national ignition facility,N IF),预计在2003年建成.

1992年,日本大阪大学激光工程研究所利用GIKKO XⅡ激光聚焦后辐照空心壳层靶丸,将靶丸压缩到了相当于初始密度500—1000倍的高密度.美国利弗莫尔国家实验室利用NO-VA激光装置的光束聚焦后辐照、压缩靶丸,也达到了这个水平.当然,这样的压缩是在远低于核聚变的点火温度下实现的.NOVA是目前世界上最大的激光装置,它由10路输出口径为74cm的光束组成.每路激光束的基频(1.053μm)输出能量为8—10kJ,10路激光的基频总输出能量为80—100kJ,三倍频(0.35μm)的输出能量为40kJ.NOVA激光装置上用于激光核聚变实验的靶室的直径为5m.

·

146

·物理

若想在点火温度下达到这样的高密度压缩,从而引发核聚变反应,就需要使用兆焦耳量级的激光装置来实现了.美国的国家点火装置NIF 就是为这个目的而建造的.

当然,想同时达到高温(10keV )和高密度(300g cm -3)决非易事.在这样的条件下,等离子体内部的压强是大气压的1012倍(1万亿个大气压).这个压强比激光直接辐照靶丸表面所可能产生的最大压强(光压)还大4个数量级.这个困难只能通过对核聚变靶丸特殊的精细设计来克服.

最简单的设计就是一个空心靶丸,其外壳由适当材料组成,使其在激光辐照下有较好的逆韧致吸收性能.热核燃料装在空心靶丸内.高功率激光束在辐照靶丸外表面的同时,也加热了靶丸的表面.靶丸表面的电子吸收激光能量,

加热后迅速将能量传给其他的电子和离子,从

而造成表面的快速升温并形成冲击波.同时,消融表面产生的高温、高压等离子体快速向外膨胀,由于动量守恒产生对靶面的反冲压强———消融压(ablation pressure ),要比作用在靶丸表面的光压大1万倍以上.这种反冲压强对靶丸的压缩原理,与火箭推进器中的燃料燃烧、喷射所产生的反作用力(即推力)将火箭推向前进的原理是相同的.唯一不同的是,压缩核聚变靶丸所需要的“推力”要比火箭的推力大得多,大约比航天飞机所需要的推力大100倍以上.这样巨大的压强会使靶丸表面出现烧蚀、膨胀、爆炸.当靶壳发生爆炸时,会产生极强的向心冲击波和X 射线光辐射,从而实现对燃料进行高度压缩,并使其达到热核反应所需要的高温和高压(见图6)

.

图6　惯性约束核聚变的基本原理示意图

[惯性约束核聚变反应过程由以下4步组成:(a )由均匀辐照靶丸的激光束迅速地将靶丸表面物质离化形成等离子体;(b )等离子体膨胀所产生的反冲对靶丸进行压缩;(c )在压缩的后期,靶丸的核心部分达到1亿度的高温和相当于20倍的固体铅密度的

高密度,从而在被压缩的燃料中心产生“热斑”;(d )整个靶丸实现热核反应并释放能量,燃烧起来]

在爆炸过程中,有两个途径可以使压强得到进一步增强.下面我们用能量密度来说明这一点,因为对理想气体而言,能量密度(3/2)nk T 与压强nk T 之间仅相差一个3/2因

子.惯性约束核聚变的主要思想就是将尽可能大的能量注入到靶丸的燃料内,然后将燃料压缩到尽可能小的体积之中.在靶壳爆炸过程中,能量不断地会聚到靶芯处的核燃料中,同时燃料的体积也由于压缩而不断缩小,这两个过程的共同作用造成了靶芯处燃料的压强比靶壳表

面上的激光压强大得多的结果.

核聚变反应所需要的会聚因子Ψ=R init /R f inal (始末半径之比)由靶芯燃料压强增加的倍数所决定.假设激光辐照靶丸外壳的驱动压强为P d ,那么压缩靶丸外壳所作的功P d d V 就为

E d =∫

4πR 2P d d R 4π3

P d R 3init .(2)如果压缩比很大,即R 3init R 3

final ,则靶芯处的核

燃料在核反应发生时的能量为

E f =4π3R 3final 3P f

2,

(3)

·

147·28卷(1999年)3期

这里的燃料仍被当作理想气体来处理,其能量密度为(3/2)P f.如果在压缩过程中所作的功P d V都用于加热燃料的话,那么由E d=E f就可给出

R init

R fi nal=3P f 2P d

强比1/3

.(4)

如果P f=106M bar,P d=50Mbar,那么线压缩的结果就是:Ψ=R init/R final=30,对应于3×104倍的体压缩,足以将燃料压缩到其固体密度的1000倍以上.当然,对应于这样大的压缩比,靶壳的爆炸就必须非常均匀.假如靶壳不同部分的加速度有哪怕3%的差别,它们到达靶芯的时间就会有所不同,最终造成压缩失败.这个要求非常苛刻,因为这意味着辐照靶壳的激光强度的分布必须非常均匀、平滑才行.

从80年代以来,激光光束的光滑化技术有了很大的发展.先后发明了无规相位板技术(random phase plates,RPP)[2],诱生空间非相干技术(induced spatial incoherence,ISI)[3]和光谱色散光滑化技术(smoothing by spectral dis-persion,SSD)[4].因此,技术上的困难似乎可以解决.但是,物理上的困难却给均匀压缩设置了极大的障碍.这个物理上的困难给靶壳厚度提出了非常苛刻的要求:假如线压缩比Ψ要达到30,并且靶壳在爆炸的末期要想加速到足够高的速度的话,那么靶壳的厚度ΔR就必须远小于靶丸的初始半径R init.

对靶壳的苛刻要求是由于在有加速度的两种密度不同的流体界面存在瑞利-泰勒不稳定性所带来的.这种不稳定性会把在靶丸的压缩过程中出现的任何不均匀性指数放大,从而造成压缩失败.所以必须尽可能地减少激光辐照的不均匀和限制瑞利-秦勒不稳定性的发展时间.

“间接驱动惯性约束核聚变”是另一种驱动方案.如图7所示,这种方案的主要思想是将核聚变靶置于黑洞腔靶(hohlraum)内,激光不再直接辐照靶丸,而是辐照黑洞靶腔壁.腔壁将所吸收的激光能量转化为X射线,由这种强度极大的X射线辐照、压缩置于黑洞靶中心的氘氚靶丸从而引发核聚变.由于

X

射线辐照要比激光辐照均匀得多,因此可以避免流体不稳定性的问题[5].

图7

(a)NOVA激光装置上用于间接驱动激光核聚变研究的

黑洞腔靶;(b)在激光辐照下的黑洞腔靶

(NOVA的黑洞腔靶是直径为毫米量级的空心圆柱.多路激光束从左右两端辐照在黑洞内的腔壁上,高效率地转化为X射线.置于黑洞腔靶中央的氘氚燃料靶在X射线的均

匀辐照、压缩下实现燃烧)

传统的惯性约束核聚变主要依赖对氘氚靶丸的均匀向心压缩、加热而产生的中心热斑来实现.这一条件可以通过用多束激光直接或间接地辐照靶丸产生的快速、高度球对称的聚心内爆-压缩-热斑来达到.惯性约束聚变对激光辐照的球对称性和均匀性有极高的要求,而且要求总能量为百万焦耳量级的巨型激光器才能实现输出能量大于输入能量(增益>0)的聚变.这样的巨型激光器,如美国国家点火装置(N IF)目前正在建造之中.NIF共有192路激光束,这个装置的占地面积将超过一个中型体育场,其总输出功率将高达5千亿千瓦(5×1014W),这个功率大约相当于美国全国发电量

·

148

·物理

的1000倍!当然,由于激光输出是在极短的时间内完成的,所以,并不会对电网造成任何影响.造价预算高达12亿美元的NIF 装置计划将于2003年建成.

我国德高望重的科学家王淦昌先生早在60年代初就想到了把激光与核物理研究相结合,并于1964年独立提出了惯性约束核聚变的概念,这在世界上是最早的惯性约束核聚变的建议之一[6].在王淦昌先生的积极倡导和推动下,我国的科研人员从60年代起就将惯性约束核聚变作为发展高功率激光技术的主要方向,在惯性约束核聚变研究和高功率激光技术等方面取得了巨大的成就,先后建成了“六路装置”、“星光”、“天光”和“神光”等大型高功率激光装置.我国的巨型激光装置也将于下个世纪初建成并投入使用.

4　“快点火”惯性约束核聚变的方案

针对以上“中心热斑”方案遇到的巨大困难,近年来,随着超短脉冲激光啁啾放大技术的重大突破,有人提出了“快点火”的技术方案[7],即在聚变燃料被均匀压缩到最大密度时,将一束超短脉冲强激光(10-11

s )聚焦在靶丸表面(光强>1020Wcm -2),极高的有质动力在靶丸表面的等离子体的临界密度面上“打洞”,并将临界密度面压向靶芯的高密核.此时,在这个过程中产生的大量的MeV 能量的超热电子穿透临界密度面射入高密核使离子温度迅速升温至点火所要求的5—10keV 的高温并实现快速点火.图8为传统惯性约束“中心热斑”聚变与“快点火”聚变的示意图.

可以这样形象

图8　“快点火”激光核聚变原理示意图

(a )传统的中心热斑激光核聚变与柴油机的点火过程类似;(b )“快点火”激光核聚变与汽油机的点火过程类似

地比较这两个过程:传统的中心热斑激光核聚

变过程与柴油机的点火过程类似,在压缩到一

·

149·28卷(1999年)3期

定密度时,柴油会自动燃烧;而“快点火”激光核聚变过程则与汽油机的点火过程类似,当燃料被压缩到最高密度时,用电火花将其点燃.在“快点火”激光核聚变过程中,超热电子所起的作用就是电火花在汽油机中所起的作用.

“快点火”激光核聚变的概念涉及许多与高强度、超短脉冲有关的强场物理相互作用过程[8]

.其中包括超短脉冲强激光与高密度等离子体的相互作用、高强度的超热电子流在高密等离子体中的产生和传输、在临界密度面附近的谐波产生、超强磁场的产生和所起的作用、与有质动力有关的效应、相对论自聚焦和成丝、超短脉冲强激光束的“打洞”和“隧道”效应等.

“快点火”方案的几个主要的物理过程如图9所示.首先用纳秒级长脉冲激光束对充满

氘、氚气体的空心靶丸进行高度对称的压缩,压

缩后的靶丸中心的氘、氚气体的密度将达到其固体密度的1000倍以上(>300gcm -3);第二步,用一束脉冲宽度约为100ps 、聚焦光强为1018Wcm -2的激光辐照压缩后的高密靶丸,这束聚焦的激光会将靶丸的临界密度面进一步压向中心,在高密靶丸上打出一个“洞”来.紧接着,用一束脉宽为10ps 左右、聚焦光强为1020Wcm -2的激光对靶芯部分进行快速点火:点火的激光束与靶芯的大密度梯度的高密等离子体相互作用,产生大量能量为MeV 量级的超热电子[9]

,超热电子流穿入高度压缩的靶丸并淀积在靶芯处的燃料中,靶芯附近燃料的局部温度迅速上升到点火温度,从而实现靶丸的“快点火”

.

图9　快点火激光核聚变的几个主要物理过程的示意图

(a )高压缩比爆炸;(b )“打洞”激光束;(c )点火激光束;(d )“快点火”过程中的能量转换

实际上,正如图8(b )所示,“快点火”方案中的第二步中所用的100ps 的激光脉冲与第三步中用的10ps 激光脉冲在实际的实验中是一个整

形后的激光脉冲.这个激光脉冲由一个100ps 的前沿和一个10ps 的尖峰组成.使用这种整形后的激光脉冲可以大幅度地降低实验难度.由于“快点火”惯性约束聚变将压缩和点火这两个过程分开进行,因此可以大幅度降低对爆炸对称性和驱动能量的要求.在“快点火”方

案中,初始压缩期仅要求达到高密度,并不要求高温度,所以对长脉冲压缩激光的“光滑化”要求大幅度地降低了.超短脉冲强激光与压缩后

·

150·物理

的高密等离子体相互作用,可以使激光能量高效地转换给MeV量级的超热电子,并进而高效地加热靶芯,实现点火,所以可以大幅度地降低对驱动能量的要求.目前的理论计算表明,“快点火”方案仅需要10万焦耳的激光能量就可以实现高增益的核聚变,比传统的中心点火方案对激光能量的需求低10倍.

当然,“快点火”方案目前还有许多物理问题和技术问题有待探讨和解决.由于“快点火”发生在对靶丸进行高度压缩达到很高密度的后期,对实际的激光装置有很高的要求.因此,在目前阶段,暂时还不具备进行“快点火”方案可行性判断的总体实验的条件.在这种情况下,如何对“快点火”方案进行合理的分解实验,对其中的许多物理过程和技术问题分别进行研究,以达到对这一方案的可行性进行判断的目的,是目前国际激光等离子体研究领域的重要目标.目前,“快点火”方案的分解实验主要有以下物理问题组成:(1)长脉冲激光对靶丸的对称压缩问题.在这个方面,由于有激光核聚变多年的研究基础,已经积累相当丰富的研究经验.一般认为,将靶丸压缩到“快点火”方案的第一阶段所要求的密度是目前的激光技术和制靶技术可以达到的.(2)超短脉冲强激光在高密等离子体中的吸收问题.这个貌似简单的问题其实包含着极其复杂的物理过程,对于不同强度、不同脉冲宽度的激光在不同密度等离子体中的吸收过程完全不同.庆幸的是,这个问题已经引起了广泛的注意和兴趣,国际上已有上百篇实验和理论的论文对此进行了广泛的研究.(3)“快点火”方案中超热电子的产生问题.这个问题在一定程度上与第二个问题有关联,但还包括另外的许多内容,诸如等离子体的密度、温度梯度对超热电子产额及能谱分布的影响、等离子体界面的真空加热、强场激光等离子体对电子的加速等.(4)“快点火”方案中超热电子在等离子体中传输问题.这个问题非常复杂,是目前国际上激光等离子体物理研究的一个热点问题.(5)超快激光等离子体中超强磁场的产生及其所起的作用的问题.超短脉冲强激光与等离子体相互作用会产生极高强度的磁场,由于这个超强磁场对激光能量的吸收、超热电子的产生和传输都有极大的影响,已经引起了注意,但目前对这个问题的了解还很不够.(6)“快点火”方案中的“打洞”问题.这是“快点火”方案中至关重要并倍受关注的一个问题.(7)“快点火”方案中超热电子在高密等离子体中的能量沉积问题.这个问题是决定“快点火”方案成败的关键问题之一.在这个方案中,携带MeV能量的超热电子对靶芯高密核所起的“引爆”作用与α粒子在氢弹爆炸时所起的作用相同.但由于电子与α粒子的根本区别,带来了超热电子在高密等离子体中能量沉积时特有的物理问题.(8)“快点火”方案中的核反应问题.目前,美国利弗莫尔国家实验室、英国卢瑟福实验室和日本大阪大学等单位正在加紧进行后5个分解实验,以求能尽快对这一方案从实验上进行可行性论证,并希望能对NIF的建造规划起到一定的指导作用.利用光学诊断的方法,超短脉冲激光在等离子体上的打洞现象已被实验所证实[10].对于超短脉冲激光与固体靶相互作用产生的超热电子在高密等离子体中的加速和输运过程的研究,也取得了长足的进展[11].

我国的激光核聚变高技术发展计划也对“快点火”方案给予了很高的重视,有关研究项目已经启动.

5　结束语

从原始人类学会用火到今天的百万年的时间里,化石能源给人类带来了辉煌的文明,随着化石能源的枯竭,人类呼唤着核聚变能源时代的早日到来.受控核聚变研究是一项重大的科学前沿课题,也是一项功在千秋的伟业,由于受控核聚变的燃料可以直接从海水中获得,而且聚变反应的产物是非放射性的,因此,受控核聚变的实现将会为人类提供取之不尽、用之不竭的洁净能源.对受控核聚变的研究始于本世纪的50年代,从那时起,在地球上实现受控核聚变就成了半个世纪以来人类所奋力追求的目

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151

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28卷(1999年)3期

标,几代科学家在受控核聚变研究上付出了巨大的努力.在世纪之交的今天,历史把实现受控核聚变反应的重任交给了我们这一代青年人,让我们来一起努力吧!

谨以此文敬献我国惯性约束核聚变研究的奠基人———王淦昌先生.

参

考文献

[1]T .Tajima ,J .M .Dawson ,Ph ys .Rev .Lett .,43(1979),

267.

[2]Y .Kato ,K .Mima ,Appl .Phys .,B 29(1982),186.[3]

R .H .Lehmberg ,A .J .Schmitt ,S .E .Bodner ,J .Appl .Phys .,62(1987),2680.

[4]S .S u psky et al .,J .Appl .Phys .,66(1989),3456.[5]D .Kalantar et al .,Phys .Plasmas ,4(1997),1985;E .Wolfrum et al .,Ph ys .Plas mas ,5(1998),227.[6]王淦昌,原子能科学技术,22(1988),7.[7]M .Tabak et al .,Phys Plasmas ,1(1994),1626.[8]

Y .Zhang ,J .Zhang ,S .H .Pan et al .,Opt .C omm un .,126(1996),85;

Y .Zhang ,J .Zhang ,S .H .Pan et al .,J .Phys .D ,30(1997),655

[9]J .Kmetec et al .,Phys .Rev .Lett .,68(1992),1527;P .Zhang et al .,Phys .Rev .E ,57(1998),R3746.[10]M .Zepf et al .,Phys .Plas mas ,3(1996),3242.[11]

M .H .Key et al .,Phys .P la smas ,5(1998),1968.

＊　国家杰出青年基金资助项目

1998-07-17收到初稿,1998-09-14修回

金属-有机物界面的偶极层＊

侯　晓　远

(复旦大学应用表面物理国家重点实验室,上海　200433)

李　述　汤

(香港城市大学物理与材料科学系)

摘　要 利用光电子能谱研究了镁、金与8-羟基喹啉铝(Alq 3)的界面.对于M g /Alq 3和Au /Alq 3两种界面,费米能级到Alq 3的最高占有轨道边的距离都约为1.7eV ,与金和镁的功函数无关.这一实验结果无法解释用M g ∶A g 电极替代A u 电极可以提高电子注入效率的实验事实.为此,在引入了界面偶极层后,M g /Alq 3和Au /Alq 3界面处有效势垒分别为0.76eV 和2.2eV ,由此对上述实验事实给予较好的解释.

关键词 有机发光,电致发光,界面,偶极矩

DIPOLE LAYER AT THE METAL /ORGANIC

MATERIAL INTERFACES

Hou Xiaoyuan

(S urfa ce Phys ic s Lab oratory ,F u d an Un ivers ity ,Shanghai 200433)

Lee Shuittong

(Department of Physics &Ma t erials S cienc e ,City University o f Hong Ko ng )

Abstract Au /A lq 3and M g /A lq 3interfaces have been investigated using ultraviolet photo -elect ron spectroscopy .For both interfac es ,the differenc e between the Fermi Level and the highest oc -cupied state of Alq 3is around 1.7eV ,which is independent of the work function of M g and Au .T his

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152·物理

惯性约束聚变能源与激光驱动器讲解

第 18卷第 67期大自然探索 V o l . 18, Sum N o . 67 1999年 第 1期 EXPLO RA T I ON O F NA TU R E N o . 1, 1999惯性约束聚变能源与激光驱动器Ξ 中国工程院院士 中国科学院上海光学精密机械研究所研究员 国家高技术 863— 416主题专家组成员 范滇元 中国科学院院士 北京应用物理与计算数学研究所研员 国家高技术 863— 416 聚变能源是一种“干净的” 的能源。研究进展表明 , 80年代末 , 美国用 变 , 证实了这一技术路线在科学上的可行性。 90年代以来 , 一些国家制定了庞大的发展计划 , 以“点火” 为目标 , 建造百万焦耳级的巨型激光装置。同时 , 并行地开始了用于聚变能电站的驱动器研究。我国已有 30多年研究基础 , 现已制定跨世纪的“神光 - ” 计划 , 将在下世纪初建成 10万 J 级的激光装置 , 开展相关基础物理研究。 1聚变能源是地球上的人造小太阳

能源是人类赖以生存的基本条件。据估计 , 到下世纪中叶前后 , 全世界能源消费的需求将超过传统能源的供给能力 , 必须开发新的能源以弥补其短缺。聚变能源是新能源的重要候选者之一。 氢的同位素氘和氚在高温下聚合成氦核 “聚变” 。太阳的巨 , 而氢弹的爆炸则是地球上人为的聚变反应。氘和锂 (可产生氚在海中蕴藏量极其丰富 , 120kg 海水可产生相当 30L 石油放出能量的聚变能 , 聚变材料可谓“取之不尽” 。如果能在人工可控条件下实现聚变反应 , 则可以提供几乎用之不竭的能源。和传统能源相比 , 聚变燃料具有最高的比能。 然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。自持反应要有 1亿 k W h 左右的高温 , 并且参与反应的粒子密度 n 要足够高 , 能维持一定的反应时间Σ, 即n Σ值要达到 1014s c m 3以上 , 这就是著名的劳逊判据。 为了实现上述条件 , 目前有两条技术途径 :磁约束聚变 (M CF 和惯性约束聚变 (I CF 。 惯性约束聚变的基本思想是 :利用激光或离子束作为驱动源 , 脉冲式地提供高强度能量 , 均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳表面形成高温高压等离子体 , 利 ? 1 3? Ξ谨以此文缅怀惯性约束聚变研究先驱王淦昌院士 用反冲压力 , 使靶的外壳极快向心运动 , 压缩氘氚主燃料层到每立方厘米几百克质量的极高密度 , 并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑 , 达到点火条件 ; 驱动

【CN109959347A】激光差动共焦核聚变靶丸形态性能参数测量方法与装置【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910175919.7 (22)申请日 2019.03.08 (71)申请人 北京理工大学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 赵维谦　王允　邱丽荣　 (74)专利代理机构 北京理工正阳知识产权代理 事务所(普通合伙) 11639 代理人 邬晓楠 (51)Int.Cl. G01B 11/255(2006.01) G01B 11/24(2006.01) G01B 11/06(2006.01) G01B 11/00(2006.01) G01N 21/65(2006.01) (54)发明名称 激光差动共焦核聚变靶丸形态性能参数测 量方法与装置 (57)摘要 本发明公开的激光差动共焦核聚变靶丸形 态性能参数测量方法与装置，属于共焦显微成 像、光谱探测及激光惯性约束核聚变技术领域。 本发明将激光差动共焦技术与拉曼光谱探测技 术结合，利用激光差动共焦技术对激光聚变靶丸 壳层的内、外表面进行精密层析定焦，利用拉曼 光谱探测技术对靶丸壳层和界面进行光谱激发 探测，并进一步通过正交回转驱动技术对靶丸进 行三维回转驱动获得靶丸的内/外表面三维形态 参数和壳层/界面性能分布参数等，实现核聚变 靶丸形态性能参数综合测量。本发明能够为激光 惯性约束核聚变仿真实验研究、靶丸制备工艺研究和靶丸筛选提供数据基础和检测手段。本发明在激光惯性约束核聚变、高能物理和精密检测领 域有广泛的应用前景。权利要求书3页 说明书6页 附图3页CN 109959347 A 2019.07.02 C N 109959347 A

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 ()?1、3KJ （?3），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 （?3），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

我国激光惯性约束聚变实验研究进展

中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2009年 第39卷 第11期: 1571 ~ 1583 https://www.wendangku.net/doc/e218960666.html, https://www.wendangku.net/doc/e218960666.html, 《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 我国激光惯性约束聚变实验研究进展 江少恩*, 丁永坤, 缪文勇, 刘慎业, 郑志坚, 张保汉, 张继彦, 黄天晅, 李三伟, 陈家斌, 蒋小华, 易荣清, 杨国洪, 杨家敏, 胡昕, 曹柱荣, 黄翼翔 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 绵阳 621900 * E-mail: jiangshn@https://www.wendangku.net/doc/e218960666.html, 收稿日期: 2009-03-15; 接受日期: 2009-08-02 国家高技术研究发展计划和国家自然科学基金(批准号: 10775120)资助项目 摘要 介绍国内自2000年以来的激光惯性聚变(inertial confmement fusion, ICF)实验研究进展, 主要内容为神光Ⅱ激光装置上的实验, 也对刚建成不久的神光III 原型装置上的实验作简要介绍. 在神光Ⅱ激光装置上开展了多项的物理实验研究, 进行了系列综合和分解实验, 获得的主要实验技术指标为: 黑腔峰值辐射温度超过二百万度; 辐射驱动DT 聚变中子产额达108和辐射驱动压缩DD 燃料密度超过10倍液氘密度; 辐射不透明的样品温度接近100 eV. 在神光II 装置上得到这些结果表明国内在惯性约束聚变研究方面取得了显著的进步. 随着神光III 原型装置建造的完成, 2007年在该装置上进行了首轮物理实验, 开展了黑腔物理和辐射内爆物理实验, 首轮实验的成功说明神光Ⅲ原型装置已具备实验能力. 关键词 激光聚变 神光II 激光装置 神光III 原型装置 激光惯性聚变(ICF) 在地球上实现受控热核聚变反应, 将可能为人类提供丰富、经济、安全的能源. 惯性约束聚变(ICF)是实现受控热核聚变很有希望的途径之一, 它是通过内爆对热核燃料进行压缩, 使其达到高温高密度, 在内爆运动过程中惯性约束下实验热核点火和燃烧, 从而获取聚变能的方法. 激光聚变是用激光作为驱动源的. ICF 领域研究工作的开展无论对国民经济、 军事应用, 还是对于基础研究探索都有着重要而特殊的意义. ICF 早已成为当代重大而难度大的国际高科技研究课题, 为了演示点火和聚变燃烧, 世界各地都在进行兆焦耳激光器拍瓦激光器高重复率能量驱动器的运转和建造, 美国于2009年建成国家点火装置(NIF)[1], 法国正在加紧建造兆焦激光装置(LMJ)[2]. ICF 的基本思想是: 利用激光或离子束作驱动源, 脉冲式地提供高强度能量,均匀地作用于装填氘氚(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面, 形成高温高压等离子体, 利用反冲压力, 使靶外壳极快地向心运动, 压缩氘氚主燃料层到每立方厘米的几百克质量的极高密度, 并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑, 达到点火条件(离子温度Ti>5 keV, 燃料的面密度ρR hs > 0.3 g/cm 2), 驱动脉冲宽度为纳秒级, 在高温高密度热核燃料来不及飞散之前, 进行充分热核燃烧, 放出大量聚变能. 采用激光产生的惯性约束聚变称为激光聚变. 利用激光产生驱动惯性约束聚变内爆需要的能流和压强可采用两种途径(见图1). 在直接驱动中, 多束激光束直接均匀辐照含有热核燃料的聚变靶丸, 激光能量被靶丸外层低密度的冕区中的电子吸收, 电子热传导将能量输运到靶壳的高密度区, 驱动烧

激光原理及应用 - 激光核聚变

激光核聚变 激光核聚变（laser nuclear fusion）是以高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变。在探索实现受控热核聚变反应过程中，随着激光技术的发展，1963年苏联科学家N.巴索夫和1964年中国科学家王淦昌分别独立提出了用激光照射在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应的构想，开辟了实现受控热核聚变反应的新途径激光核聚变。激光核聚变要把直径为1毫米的聚变燃料小球均匀加热到1亿度，激光器的能量就必须大于1亿焦，这在技术上是很难做到的。直到1972年美国科学家J.纳科尔斯等人提出了向心爆聚原理以后，激光核聚变才成为受控热核聚变研究中与磁约束聚变平行发展的研究途径。 1、基本原理 激光核聚变中的靶丸是球对称的。球的中心区域（半径约为3毫米）充有低密度（≤1克/厘米3）的氘、氚气体。球壳由烧蚀层和燃料层组成：烧蚀层的厚 度为200—300微米，材料是二氧化硅等低Z（原子序数）材料；燃料层的厚度约300微米，材料是液态氘、氚，其质量约5毫克。有的靶丸的中心区域是真空，球壳由含有氘、氚元素的塑料组成。有的靶丸则用固体氘、氚燃料，球壳由玻璃组成。 当激光对称照射在靶丸表面上时，烧蚀层表面材料便蒸发和电离，在靶丸周围形成等离子体。激光束的部分能量在临界密度层处（该处的等离子体频率与入射的激光频率相等）被反射掉，另一部分能量则被等离子体吸收并加热等离子体。等离子体的热量通过热传导穿过临界密度层向烧蚀层内传递，烧蚀层材料蒸发并向四周飞散产生反作用力（类似火箭推进原理），将靶丸球壳向靶心压缩（爆聚）产生传播的球形激波，使靶丸内氘、氚燃料的密度和温度增加，这种效应称为向心爆聚。如果激光脉冲的波形选得合适，则向心传播的球形激波可会聚到靶丸球心区域，使球心区域一部分氘、氚燃料优先加热，形成热斑。当热斑中的温度高到足以产生聚变反应时，则释放出的聚变能量就可驱动通过靶丸径向向外传播的超声热核爆炸波，并在靶丸物质移动之前就能将燃料层的聚变燃料加热并产生聚变反应，最后将烧蚀层毁掉。因此，激光束的能量仅用于产生向心爆聚和加热靶心的热斑燃料上，不需将整个靶丸均匀加热到热核聚变温度，从而降低了对激光器功率的要求。

磁约束聚变现状研究汇总

1 前言 能源是社会发展的基础，化石燃料不仅储量有限，而且会造成严重的生态环境破坏和污染，预期200多年后，人类将面临严重的能源枯竭问题，因此，必须 尽快完成战略新能源的开发研究。在一系列的新能源中，核聚变能是最理想的清洁新能源。 核聚变反应包括氘氚反应、氘氦反应、氢硼反应等，其中氘氚反应在地球上最易实现，因其反应资源存在于海水中，一旦实现受控热核聚变，海水将成为人类取之不尽用之不竭的资源。这需要氘或氚，在一定条件下(如超高温和高压)让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核(如氦)，中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。 2 惯性约束聚变装置简介 现有的可控核聚变约束手段主要有两种，一种是惯性约束，一种是磁约束。 惯性约束是指利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是:利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料(氘、氚)形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短 时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。该项 研究主要在美国的国家点火装置（NIF），中国的神光-Ⅲ主机装置，如图1所示。 (a)

(b) 图1 (a)国家点火装置 (b)神光-Ⅲ主机装置 美国的国家点火装置位于加利福尼亚州的利弗莫尔国家实验室，在过去的一段时间里，其工作人员一直致力于将192束激光集中于一个花生米大小的、装有氢粒子的目标上。当能量为500太瓦的激光撞击到装有氢粒子的目标上后，会产生X光粒子，使得重氢原子和超重氢原子产生聚变，这种聚变使得少量物质转变为巨大能量。但由于技术问题，该项目在2012年末将工作重点由聚变能研究领域重新转回到核武器试验上。 我国的“神光-Ⅲ主机装置”，已在2015年由中物院基本建成。作为亚洲最大，世界第二大激光装置，神光-Ⅲ主机装置共有48束激光，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60万亿瓦。 3 磁约束聚变装置简介 磁约束聚变是指用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、 处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。 自上个世纪60年代中期以来，各国科学家先后建成的磁约束装置包括托卡 马克、仿星器、反场箍缩、磁镜、多级场等。 3.1 托卡马克 托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈，最初是由位于前苏联莫斯科的库尔

可控核聚变与ITER计划_冯开明

第23卷第5期2006年10月 现代电力 M odern Electric Pow er V o l123N o15 O ct12006 文章编号:1007-2322(2006)05-0082-07文献标识码:A中图分类号:T M63112+4 可控核聚变与ITER计划 冯开明 (核工业西南物理研究院,四川成都) 摘要:本文简要介绍了我国能源的基本情况,核聚变能和可控核聚变的基本原理,国际热核聚变实验堆ITER的历史与现状。最后,对我国磁约束核聚变的研究发展做了简要回顾。 关键词:可控核聚变;ITER计划;磁约束;托卡马克 0引言 能源是社会经济发展的物质基础,随着社会的发展和人类文明的进步,人类对能源的需求也越来越大。从化石燃料提供的能源来看,地球上的化石燃料资源有限,煤储量有可能维持200年左右,石油、天然气仅能维持几十年;另一方面大量使用化石燃料,特别是煤炭,造成了严重的环境污染,而且能源结构单一,经济效益不合理。我国有13亿人口,目前的人均能源消耗仅为世界人均能耗的1/2,发达国家的1/40,主要能源是煤,而人均占有量远远低于世界水平。中国GDP正以年增长7%~8%的高速度发展,预计到2050年我国人口将增至15~16亿,根据国家发展远景规划,届时我国的人均GNP将为4000~6000美元,对能源将有巨大的需求。因此,我们将比其他任何国家更快遇到能源短缺和大量使用化石燃料造成严重环境污染的问题。从长远来看,核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源,人类将从/石油文明0走向/核能文明0。目前我国正在运行的核电站都是核裂变电站。核裂变虽然能产生巨大的能量,但远远比不上核聚变。另一方面,裂变堆的核燃料蕴藏极为有限,而且存在棘手的废物处置问题。因此,核聚变能被称为人类未来的永久能源。 从我国巨大的能源需求、资源的限制、环境的压力和核聚变研究进展来看,发展聚变能是改善未来能源结构,推动在半世纪实现能源顺利换代的根本出路。经过近半个世纪的努力,国际聚变研究已经取得长足的进展,由欧盟、中、日、俄、美、韩、印七方参与的国际热核聚变实验堆IT ER计划,已经进入建设阶段。为此,有关部门已经将磁约束核聚变研究列入国家中长期科技发展规划,推动我国核聚变研究的发展。 1核聚变能是理想的能源 太阳的能量来自轻核聚变反应。太阳每秒将6157亿吨氢聚变成氦,亏损的质量转化成巨大的太阳能,成为支持太阳系统内一切活动的能量源泉。氘-氚聚变反应将释放巨大的能量,一升海水中含30m g氘,通过聚变反应可释放出的能量相当于300多升汽油的能量,而反应产物是无放射性的。这就是说,1升海水可产生相当于300升汽油的能量。一座100万kW的核聚变电站,每年耗氘量只需304kg。据估计,天然存在于海水中的氘有45亿吨,把海水中的氘通过核聚变转化为能源,按目前世界能源消耗水平,足以满足人类未来几十亿年对能源的需求。但是在地球上实现持续的轻核聚变反应,要求相当苛刻的条件。它要求产生热核聚变的等离子体维持足够高的温度、密度的约束时间,达到劳逊条件(温度@密度@能量约束时间,或称聚变三乘积)。例如,实现氘-氚聚变反应的条件是:等离子体温度达2亿度,同时粒子数密度达1020m-3,能量约束时间超过1s。在这样极高的温度下,所有物质都变成完全电离的气体-等离子体。利用强磁场可以很好地约束带电粒子,将等离子体约束在一种特殊称为真空室的磁容器中,并将聚变燃料加热至数亿度高温,以实现可控聚变反应并获得聚变能。由于实现可控聚变的条件十分可观。因此,聚变能源的开发和应用,被认为是人类科学技术史上遇到的最具挑战性的特大科学工程。 核聚变能又是一种洁净安全的能源。聚变燃料是按一定速度和数量加入,任何时候在反应室内的聚变燃料数量都不大,在进行核聚变反应时,即使失控也不会产生严重事故。此外,它不产生二氧化碳和二氧化硫等有害气体,也不会像核裂变那样产

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

惯性约束聚变能源与激光驱动器.

第18卷第67期大自然探索V o l.18,Sum N o.671999年第1期EXPLO RA T I ON O F NA TU R E N o.1,1999惯性约束聚变能源与激光驱动器Ξ 中国工程院院士 中国科学院上海光学精密机械研究所研究员 国家高技术863—416主题专家组成员 范滇元 中国科学院院士 北京应用物理与计算数学研究所研究员 国家高技术863—416主题专家组首席科学家 贺贤土 聚变能源是一种“干净的”几乎取之不尽的能源。研究进展表明,有希望在21世纪中叶实现商业发电。惯性约束聚变则是实现聚变能源的主要途径之一。80年代末,美国用地下核爆的辐射能量成功地驱动惯性约束聚变,证实了这一技术路线在科学上的可行性。90年代以来,一些国家制定了庞大的发展计划,以“点火”为目标,建造百万焦耳级的巨型激光装置。同时,并行地开始了用于聚变能电站的驱动器研究。我国已有30多年研究基础,现已制定跨世纪的“神光- ”计划,将在下世纪初建成10万J级的激光装置,开展相关基础物理研究。 1聚变能源是地球上的人造小太阳 能源是人类赖以生存的基本条件。据估计,到下世纪中叶前后,全世界能源消费的需求将超过传统能源的供给能力,必须开发新的能源以弥补其短缺。聚变能源是新能源的重要候选者之一。

氢的同位素氘和氚在高温下聚合成氦核并释放出中子的过程称为“聚变”。太阳的巨大能源即来源于聚变,而氢弹的爆炸则是地球上人为的聚变反应。氘和锂(可产生氚在海中蕴藏量极其丰富,120kg海水可产生相当30L石油放出能量的聚变能,聚变材料可谓“取之不尽”。如果能在人工可控条件下实现聚变反应,则可以提供几乎用之不竭的能源。和传统能源相比,聚变燃料具有最高的比能。 然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。自持反应要有1亿k W h左右的高温,并且参与反应的粒子密度n要足够高,能维持一定的反应时间Σ,即nΣ值要达到1014s c m3以上,这就是著名的劳逊判据。 为了实现上述条件,目前有两条技术途径:磁约束聚变(M CF和惯性约束聚变(I CF。 惯性约束聚变的基本思想是:利用激光或离子束作为驱动源,脉冲式地提供高强度能量,均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳表面形成高温高压等离子体,利 ? 1 3 ? Ξ谨以此文缅怀惯性约束聚变研究先驱王淦昌院士 用反冲压力,使靶的外壳极快向心运动,压缩氘氚主燃料层到每立方厘米几百克质量的极高密度,并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑,达到点火条件;驱动脉冲宽度为纳秒级,在高温高密度热核燃料来不及飞散之前,进行充分热核燃烧,放出大量聚变能,所以又称惯性约束聚变(I CF 。实际上这和太阳的聚变过程相仿,只是约束高温等离子体的方式有所不同。60年代初,我国激光聚变研究刚刚起步的时候,钱学森院

激光原理答案

作业一 1、布隆伯根(Nicolaas Bloembergen) 是在哪一年提出了利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构想？请介绍一下他的简单情况。 1958年，布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）提出利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构思。布隆姆贝根是非线性光学理论的奠基人。 他提出了一个能够描述液体、半导体和金属等物质的许多非线性光学现象的一般理论框架。他和他的学派在以下三个方面为非线性光学奠定了理论基础：一、物质对光波场的非线性响应及其描述方法；二、光波之间以及光波与物质激发之间相互作用的理论；三、光通过界面时的非线性反射和折射的理论。他把各种非线性光学效应应用于原子、分子和固体的光谱学研究，从而形成了激光光谱学的一个新领域——非线性光学光谱学。 1981年诺贝尔物理学奖----激光光谱学与电子能谱学布隆姆贝根肖洛凯.西格班 1981年诺贝尔物理学奖的一半授予马萨诸塞州坎伯利基哈福大学的布隆姆贝根（Nicolaas Bloembergen,1920-- ）和美国加利福尼亚州斯坦福大学的肖洛（Arthur L.Schawlow,1921-- ）,以表彰他们在发展激光光谱学所作的贡献；另一半授予瑞典乌普沙拉（Uppsala）大学的凯.西格班（Kai M.Siegbahn,1918-- ）,以表彰他在高分辨率电子能谱学所作的贡献。 布隆姆贝根的主要工作是在激光光谱学、非线性光学、核磁共振以及电子顺磁共振等领域。他的科学成就式多方面的。特别是，他对激光光谱学的发展是从一条独特的道路上做出的。 2. 简单介绍神光I、神光II、神光III？ 神光Ⅱ高功率激光装置是由中国科学院、中国工程物理研究院、国家高技术863和国家高技术863主题四方共同投资，由高功率激光物理国家实验室负责研制的、迄今国内规模最大的高功率激光聚变实验装置，也是世界上为数不多的激光聚变实验装置之一。 神光Ⅱ装置由激光器、激光自动准直、激光精密靶场、激光参数测量、储能供电、精密装校及环境保障等分系统组成。它是数百台套激光单元和组件的集成，并在空间立体排布成8条激光放大链，每条激光放大链终端输出口径为φ240mm，8束激光输出能量总和6kj/1ns，最高输出功率1013W。就瞬时功率而言，比全国发电量的总和还要大许多倍。 神光Ⅱ装置是我国目前惯性约束聚变、X光激光、材料高压状态方程等前沿领域进行物理实验的最大激光驱动装置。该装置上进行的物理实验已在近期取得阶段性的重大成果，具有重大的社会效益和经济效益。 “神光二号”的问世标志中国高功率激光科研和激光核聚变研究已进入世界先进行列。目前，只有美国、日本等少数国家能建造如此精密的巨型激光器。“神光二号”的总体技术性能已进入世界前五位。 2003年1月“‘神光二号’巨型激光器研制成功”被568名中国科学院院士和中国工程院院士投票评选为“2002年中国十大科技进展”。 3. 简单介绍梅曼发明的世界第一台红宝石固态激光器 1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。梅曼于1955年在斯坦福大学获博士学位，研究的正是微波波谱学。在休斯实验室梅曼做微波激射器的研究工作，并发展了红宝石微波激射器，不过需要液氮冷却，后来改用干冰冷却。梅曼能在红宝石激光器首先作出突破，并非偶然，因为他已有用红宝石进行微波激射器的经验多年，他预感到红宝石作为激光器的可能性，这种材料具有相当多的优点，例如能级结构比较简单，机械强度比较高，体积小巧，无需低温冷却等等。但是，当时他从文献上知道，红宝石的量子效率很低，如果真是这样，那就没有用场了。梅曼寻找其他材料，但都不理想，于是他想根据红宝石的特性，寻找类似的材料来代替它。为此他测量了红宝石的荧光效率，没有想到，荧光效率竟是75%，接近于1。梅曼喜出望外，决定用红宝石做激光元件。经过9个月的奋斗，做出了第一台激光器。

核聚变方式及装置、原理介绍

13SP02340600 《核工程概论及实践》 课程设计 核聚变装置原理及结构梳理 学号 姓名 院系 专业 完成日期 设计类型 得分

摘要 核聚变作为正在研究中的新能源，除了托卡马克装置以外还有包括仿星器、磁镜、反向箍缩和球马克在内的其它磁性约束装置；此外还有激光点火的惯性约束方案。本文主要介绍以上方案的原理和装置结构，由于接触时间有限，不对相关技术进行评价。 关键词：核聚变；托卡马克；仿星器；磁镜；反向箍缩；惯性约束

目录 摘要 ................................................................................................................................................... I 第一章托卡马克装置结构及原理. (1) 1.1约束的含义 (1) 1.2 托卡马克中磁约束的基本原理 (1) 1.3托卡马克系统的结构 (2) 1.4 本章小结 (4) 第二章其他磁性约束方式 (5) 2.1 仿星器 (5) 2.2 磁镜 (5) 2.3 反向箍缩 (6) 2.4 本章小结 (6) 第三章惯性约束方式原理 (7) 3.1 惯性约束的原理和实现 (7) 3.1.1 惯性约束的原理 (7) 3.1.2 实现手段 (7) 3.2 惯性约束聚变堆方案 (8) 3.3 本章小结 (8) 参考文献 (9)

第一章托卡马克装置结构及原理 托卡马克装置作为上世纪六、七十年代以来一直占据核聚变研究中心的聚变装置，目前在所有方案中取得的成果最为突出，如等离子体温度最高，（脉冲）功率最大，最先实现全超导等等，当然这得益于许多科学家的奉献和更多资金的投入。总的来说，尽管所有方案离商用发电都很遥远，但托卡马克是目前来看最有前途的聚变装置。 1.1约束的含义 核聚变必须使聚变材料的温度、密度和这种高温高压状态维持的时间（约束时间）的乘积满足劳森判据才能实现。 由于核聚变反应温度超高，即使最容易的氚-氘反应也要求反应温度大于5000万度才能大量进行；此时的核材料呈现为物质第四态——等离子态。 图1-1 日冕中的等离子体 等离子体是宇宙中很常见的物质形态，如太阳就是有等离子态的物质组成的，只不过如图1-1中日冕中等离子体温度为几千度，而聚变堆中由于体积限制，要求温度达到上亿度。 为了维持这类极高温的等离子体不消散掉，就需要各种各样非接触式的方法。首先想到的方法就是利用电磁场来约束带电的等离子体，而第二种方法则利用激光推动核材料聚集。 1.2 托卡马克中磁约束的基本原理 图1-2是ITER项目公布的托卡马克设计图，可以看到反应腔内等离子体截

浅谈惯性约束核聚变_张杰

零,也即将磁场零点定在ν=1/2处,那么所有的FQHE 态看起来和IQHE 态一样.例如,ν=1/2和ν=1/3之间的磁场间隔ΔB 正好与ν=1所需的磁场一样,也就是说,经平移以后ν=1/3态就成了ν=1态.同样ν=2/5态成为ν=2态,ν=3/7态成为ν=3态.这就是说,原来电子的FQHE 态变成了组合费米子的IQHE 态.组合费米子模型在FQH E 和IQH E 之间建立了十分直接的联系. 6　组合费米子的有效质量 众所周知,由IQHE 的能隙 ωc = e B /m ＊c 可以直接计算出电子的有效质量m ＊.那么从图11上的直线斜率也可以直接算出组合费米子的有效质量m ＊ c F1≈0.6me .它远大于电子在 导带中的有效质量.但是事情并不那样十全十美.按说将图11中能隙外推到ν=1/2处应当为零,然而现在得到的却是一个负截距.实际上在IQH E 效应中也遇到类似的情况.在实际样品中,受杂质、缺陷或者结构尺寸涨落的影响, 朗道能级的展宽使整数填充因子处的朗道能隙间距减小,同样在B =0处出现一个负截距.根据上述类比,图11中在ν=1/2处负截距大小实际给出了组合费米子所受到的散射大小.至此,可以讲组合费米子是分数量子霍尔效应中的新粒子.Stormer 认为,组合费米子的真实性一点不比超导中的库珀对差. 7　结束语 鉴于量子霍尔效应涉及深奥的物理内涵,本文只是力图从物理图像的角度粗浅地介绍它的基本性质.特别是目前对FQH E 态的研究仍在不断深入,本文所涉及的内容十分基础,不可能反映这方面研究工作的广度和深度.作者只希望借1998年诺贝尔物理学奖颁布之际,能使本刊读者对量子霍尔效应有一概括的了解.另一方面,由于本文是属知识介绍性的文章,因时间关系没有一一列出每项工作的有关文献,其目的只是想减小工作量.如有不妥之处,请予以谅解. ＊　国家高技术惯性约束核聚变委员会资助项目 1998-11-19收到初稿,1998-12-10修回 浅谈惯性约束核聚变＊ 张 杰 (中国科学院物理研究所,北京　100080) 摘　要 以煤、石油、天然气为代表的化石能源终将枯竭,基于核裂变反应的核裂变能源也由于安全性和核废料的处理等问题而不尽如人意.人类期待着新的能源.受控热核聚变反应能释放巨大的能量,而且由于这种能源干净、安全,且以用之不竭的海水作为原料,因此,受控热核聚变能是人类下一世纪的能源的主要希望所在.在地球上,主要有两种方法实现受控热核聚变反应:磁约束核聚变和惯性约束核聚变.文章通俗地介绍了惯性约束核聚变的基本原理和惯性约束核聚变研究的最新进展. 关键词 惯性约束核聚变 · 142·物理