核聚变与等离子体物理 第三章4

《核聚变与等离子体物理 第三章4》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核聚变与等离子体物理 第三章4（42页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、惯性约束聚变惯性约束聚变Inertial Confinement Fusion靶丸的设计与生产一、靶丸设计的一般要求 ICF靶丸的设计是一项极其复杂和困难的任务，目前ICF靶丸的设计有两大类型：p一类叫直接驱动型，有较长的发展历史并有大量的文献报道；p另一类叫间接驱动型，因与核武器设计有关，处于保密状态。 虽然靶丸设计因实验目的不同而有所差异，但一般来说，对惯性约束聚变靶丸要求如下：（1）其中必须含有毫克级的D-T燃料，以保证产生足够的核聚变反应。这些靶丸聚变爆炸产生的冲击波的破坏作用有限，完全在可控的范围内。（2）靶丸要有合适的大小，直径大约在毫米量级。由于驱动束的能量限制，靶丸不能太大，靶

2、丸越大需要的驱动束的能量越高。由于束流聚焦的限制，靶丸不能太小，若靶丸很小，而束流焦斑比较大时，大部分束流就会白白浪费。希望聚变反应产生的带点粒子能对等离子体进行自加热，要求靶丸的半径要大于粒子的射程，靶丸不能太小。（3）靶丸的构造有利于束流的能量沉积和容易得到高的能量增益。靶丸应是完全球形且具有多层结构，每一层的厚度要均匀，各层要高度同心，靶丸表面必须有很高的光洁度，靶丸材料中能产生长寿命的放射性同位素的核素应尽量少等。这些因素中有些相互制约，因此制备比较令人满意的靶丸需进行各因素的综合平衡。（4）从将来的聚变堆应用考虑，靶丸的生产工艺还应该简单，价格要便宜，还要易于操作和储存。 另外，现在

3、人们对ICF的各种物理过程了解得并不很清楚，多数过程的物理学图像还没有建立起来，对在极高温度、极高压力和极高密度下，物质又会出现怎样的特性也还缺乏足够的了解，这些都对靶丸的设计有重大的影响。 研制和生产符合上述要求的靶丸，会涉及到多种学科和许多高精度技术，如需要开发微加工技术、中空小球的制造技术、多种涂层技术和低温靶丸技术等。二、靶丸设计的制约因素1、多层壳结构n 最早使用的靶是平面靶，就是由某种材料构成的平板，使用它来进行驱动器和靶物质相互作用的研究。n 较早使用的球形靶为玻璃球壳靶，它是在玻璃壳中充以D-T气体构成的。n 为了提高驱动束能量的吸收效率，产生稳定的聚爆，抑制超热电子的产生、提

4、高聚爆速度等，靶丸通常设计成多层结构。 消融靶丸示意图（1）消融层 使用低Z的轻材料（如聚乙烯、聚四氟乙烯、LiH和Be等），作用是充分吸收束流热能，减少X射线和高能电子的产生，以便减少对燃料靶心的预热。 当束流打在靶丸的表面时，大部分能量将被消融层吸收，消融层吸收能量后迅速爆炸而产生等离子体，等离子体急剧膨胀产生压缩冲击波向内压缩和加热里面的推进层。（2）推进层 由高原子序数、高密度材料所组成，其作用为：使靶丸结构具有一定的刚性以便在常温下盛装初始的气体燃料；聚爆时对里面的燃料起屏蔽作用，进一步减少X射线和高能电子对燃料的预热；可以使燃料加热均匀，从而改善压缩，向内会聚产生聚爆动能，提高聚爆

5、效率；在燃料燃烧期间，作为反射层使燃料得到更长时间的约束。 在某些设计中第一推进层里面还有第二推进层，两层之间用真空、气体或泡沫塑料隔开，这种双层推进器的设计有可能使聚爆速度倍增。 根据动量守恒和能量守恒：1 11 1222221 11 122111222mumum umumum u式中 和 分别表示外、内推进器碰撞后的速度。1u2u 由以上两式可以求得内推进器碰撞后速度和能量转移效率：21 11222221 112212211224 umummm umum mmm 设m1/m2=1,2,4,8，由以上结果可求得m2的速度倍增和能量转移效率分别为1,4/3,8/5,16/9和1,8/9,16/

6、25,32/81。 虽然内、外推进器的碰撞不可能是完全的弹性碰撞，但可以看出，采取这样内、外推进器的结构可使内层的速度增加，在两层之间充入气体或加入塑料，也是为了使碰撞过程得以光滑的进行。 研究表明，如果靶丸的聚爆是不对称的，那将严重影响内层速度倍增和能量转移效率，而且还有其它更严重的危害。（3）燃料层 可以是D-T气体，也可以是冷却在推进层内壁上的D-T混合物。当推进层受热爆炸喷射时，D-T燃料被高度压缩和加热，发生聚变燃烧。 靶丸的最里层是空心的。研究认为，使用空心靶比用实心靶能使燃料得到更大的压缩。2、燃料的装载和R值在设计中，人们希望燃料的燃烧率达到30%50%，比能量产额达340MJ

7、/mg，因此一个靶丸应能产生100MJ的能量产额（这是堆用要求的指标），那么靶丸中大概需要有1mg的DT装料。要想得到较高的燃烧率，燃料应达到较高的R值和靶丸应具有其他较好的特性。 R值越大，燃料燃烧就越充分。进行有效的热核燃烧，燃料的R值应在0.33g/cm2之间，较大的R值意味着要对靶丸进行高度的压缩。3、中心火花塞（点火器）n 靶丸中的燃料并不是一下子全部聚变燃烧起来，因冲击波在靶丸中心会聚，首先使中心的“火花塞”的密度R值达0.33g/cm2以上、温度达到5keV以上的聚变条件，率先点火燃烧。n 火花塞的质量仅占燃料的一小部分（10%），率先点燃的优越性在于能降低对驱动器能量和点火温度

8、的要求。n 其作用就像一个点火器，点燃后，其聚变产物在周围燃料中的能量沉积，进一步将四周的燃料点燃，形成一个由内向外传播的球形热核燃烧波。4、驱动器脉冲形状和冲击波序列为了对燃料进行等熵的、高密度的压缩，需要一系列强度逐渐增大的冲击波，并且还要对它们在时间上进行适当的调制，以便它们在达到最大压缩的时刻能同时到达靶丸中心。 一般来说，驱动器脉冲波形在开始时刻要低功率，脉冲的尾部要求高功率使脉冲最后达到坍塌。V1V0VP0P1PP1=H(V1，P0，V0)，H曲线P1=P(V，S)，绝热曲线 PV曲线下面的面积表示压缩气体所需要的功，H曲线位于绝热线之上，这意味着通过一次冲击波压缩比绝热（等熵）压

9、缩需要做更多的功。冲击波越强， H曲线偏离绝热曲线越远，则冲击波压缩需作更多的功。这就是说强冲击波进行压缩是不合算的。 另外系统的熵随冲击波的强度做对数增加，在弱冲击波条件下，压缩几乎是等熵的，即101 0 pSp ，u研究表明，对于球形的向中心汇聚的冲击波，一次压缩能产生30多倍的压缩比，即密度增大30多倍。u若继续采用这种方式使燃料经过多次冲击波的压缩，就能达到越来越高的密度以达到热核燃料燃烧的条件。u同时，从前面的结果可以知道，强冲击波压缩是不等熵的，但却能大大地提高燃料的温度，表明简单的强冲击波更适用于热斑的点火。n 于是可以产生一连串强度越来越大的冲击波，同时在时间上调节使它们在达到