[科普中國(guó)]-激光內(nèi)爆

定義

在激光核聚變中，當(dāng)多束激光從各個(gè)方向同時(shí)聚焦在氘氚靶丸上時(shí)，激光被靶丸吸收，靶丸表面加熱形成一層等離子體。就像火箭噴射氣體推動(dòng)火箭向前飛行一樣，等離子體在向外膨脹的過程中也給靶丸內(nèi)層一個(gè)壓力，這就是所謂的燒蝕壓。這個(gè)壓力促使靶丸產(chǎn)生向心內(nèi)爆，將靶丸中心部分的氘氚材料壓縮到高密度，2例如為液態(tài)氘氚密度的1000倍，并加熱到幾千萬度以上，點(diǎn)燃熱核聚變反應(yīng)，這就是激光內(nèi)爆。1

驅(qū)動(dòng)方式激光驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆有兩種方式：一種是直接驅(qū)動(dòng)，另一種是間接驅(qū)動(dòng)。3

直接驅(qū)動(dòng)所謂直接驅(qū)動(dòng)，就是靶丸外表面吸收激光，產(chǎn)生燒蝕壓直接驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆。但直接驅(qū)動(dòng)對(duì)激光對(duì)稱性、均勻性的要求非常高。3

當(dāng)高功率激光驅(qū)動(dòng)聚變靶時(shí) , 會(huì)放出電子、離子、 X 射線和聚變產(chǎn)物中子、Α粒子等。這些粒子帶著關(guān)于內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)的一些重要信息 , 如激光能量吸收機(jī)制、能量輸運(yùn)、等離子體溫度和密度等。由于帶電粒子在穿出靶丸的過程中與等離子體之間具有庫(kù)侖作用而損失能量。而對(duì)于等離子體轉(zhuǎn)換的 X 射線 , 打在玻璃球殼上的激光所產(chǎn)生的 X 射線又會(huì)將其湮沒 ( 玻璃的有效原子序數(shù)比燃料氘和氚的原子序數(shù)高),

這些都會(huì)降低測(cè)量精度。然而 , 對(duì)聚變中子來說 , 它既不受所通過的壓縮燃料區(qū)和靶殼的影響 , 直接驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的 X 射線也不會(huì)對(duì)中子測(cè)量帶來什么困難。正因?yàn)檫@些原因 , 中子診斷成了聚變靶的重要探測(cè)手段。中子產(chǎn)額對(duì)應(yīng)于壓縮靶芯時(shí)熱核反應(yīng)數(shù) , 它可以反映內(nèi)爆對(duì)稱性、內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)效率、燃料混合及超熱電子預(yù)熱影響等情況。

因?yàn)楫?dāng)壓強(qiáng)情況變差、殼材料與燃料混合時(shí) , 中子產(chǎn)額會(huì)迅速下降。因此 , 準(zhǔn)確測(cè)量中子產(chǎn)額還能確定作為全過程的壓縮殼體的效率 ( 不僅推進(jìn)層加速的條件 , 而且球?qū)ΨQ性的偏差也會(huì)影響壓縮效率 ) 。

間接驅(qū)動(dòng)所謂間接驅(qū)動(dòng)，就是被吸收的激光首先轉(zhuǎn)變成為X光，再由X光傳熱壓縮球形靶丸，產(chǎn)生內(nèi)爆。間接驅(qū)動(dòng)與直接驅(qū)動(dòng)相比，間接驅(qū)動(dòng)對(duì)激光的對(duì)稱性、均勻性的要求要比直接驅(qū)動(dòng)低一些，但需要較高的激光能量。4

是通過球形聚心增壓和提高內(nèi)爆動(dòng)能密度兩種途徑，產(chǎn)生極高壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚變?nèi)剂系母邏嚎s，形成熱核聚變?nèi)紵?，利用燃料的慣性約束，在燃料飛散之前，獲得設(shè)計(jì)要求的聚 變?nèi)紵头拍埽畠?nèi)爆先通過預(yù)脈沖沖擊波 整形 低熵壓縮 內(nèi)爆殼物質(zhì)到十多倍初始固態(tài)密度，然后通過主脈沖 x 射線燒蝕(間接驅(qū)動(dòng))或激光燒蝕(直接驅(qū)動(dòng))加速 內(nèi)爆殼到高內(nèi)爆速度，從而形成很高的內(nèi)爆動(dòng)壓，進(jìn)而再通過球內(nèi)爆聚心增壓，獲得 實(shí)現(xiàn)聚 變要求 的高壓。在1.5 MJ 能量 的大型高功率激光器上實(shí)現(xiàn)激光聚變中心點(diǎn)火 ，需要在球心區(qū)域產(chǎn)生 3000—4000 億大氣壓 的高壓

實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)內(nèi)爆的關(guān)鍵是將靶丸芯部壓縮到高密度狀態(tài)。而這就需要激光強(qiáng)度很高，激光的對(duì)稱性、均勻性要非常的好。1

影響因素在激光內(nèi)爆的實(shí)現(xiàn)過程中，有幾個(gè)因素影響向心壓縮：5

一是在激光加熱等離子體的過程中，共振吸收和受激刺曼散射會(huì)產(chǎn)生超熱電子，超熱電子穿入芯部，在未壓縮之前就使芯部加熱，從而阻礙芯部壓縮到高密度。1

二是內(nèi)爆過程中出現(xiàn)各種流體力學(xué)不穩(wěn)定性，產(chǎn)生壓縮的不對(duì)稱性，不均勻性及發(fā)生飛層與氚氘的混合，影響芯部壓縮和熱核聚變點(diǎn)火。1