哈工程核学院第一个课程设计第三章3

惯性约束聚变InertialConfinementFusion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：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；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。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。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：①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；②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；③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，提高聚爆效率；④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：式中和分别表示外、内推进器碰撞后的速度。由以以上上两两式式可可以以求求得得内内推推进进器器碰碰撞撞后后速速度度和和能能量量转转移移效效率率：：设m1/m2=1,2,4,8，由以以上结结果可可求得得m2的速度度倍增增和能能量转转移效效率分分别为为1,4/3,8/5,16/9和1,8/9,16/25,32/81。虽然内内、外外推进进器的的碰撞撞不可可能是是完全全的弹弹性碰碰撞，，但可可以看看出，，采取取这样样内、、外推推进器器的结结构可可使内内层的的速度度增加加，在在两层层之间间充入入气体体或加加入塑塑料，，也是是为了了使碰碰撞过过程得得以光光滑的的进行行。研究表表明，，如果果靶丸丸的聚聚爆是是不对对称的的，那那将严严重影影响内内层速速度倍倍增和和能量量转移移效率率，而而且还还有其其它更更严重重的危危害。。（3）燃料料层可以是是D-T气体，，也可可以是是冷却却在推推进层层内壁壁上的的D-T混合物物。当当推进进层受受热爆爆炸喷喷射时时，D-T燃料被被高度度压缩缩和加加热，，发生生聚变变燃烧烧。靶丸的的最里里层是是空心心的。。研究究认为为，使使用空空心靶靶比用用实心心靶能能使燃燃料得得到更更大的的压缩缩。2、燃料料的装装载和和ρR值在设计计中，，人们们希望望燃料料的燃燃烧率率达到到30%~50%，比能能量产产额达达340MJ/mg，因此此一个个靶丸丸应能能产生生100MJ的能量量产额额（这这是堆堆用要要求的的指标标），，那么么靶丸丸中大大概需需要有有1mg的D—T装料。。要想得得到较较高的的燃烧烧率，，燃料料应达达到较较高的的ρR值和靶靶丸应应具有有其他他较好好的特特性。。ρR值越大大，燃燃料燃燃烧就就越充充分。。进行有有效的的热核核燃烧烧，燃燃料的的ρR值应在在0.3~3g/cm2之间，，较大大的ρR值意味味着要要对靶靶丸进进行高高度的的压缩缩。3、中心心火花花塞（（点火火器））靶丸中中的燃燃料并并不是是一下下子全全部聚聚变燃燃烧起起来，，因冲冲击波波在靶靶丸中中心会会聚，，首先先使中中心的的“火火花塞塞”的的密度度ρR值达0.3~3g/cm2以上、、温度度达到到5keV以上的的聚变变条件件，率率先点点火燃燃烧。。火花塞塞的质质量仅仅占燃燃料的的一小小部分分（<10%），率率先点点燃的的优越越性在在于能能降低低对驱驱动器器能量量和点点火温温度的的要求求。其作用就就像一个个点火器器，点燃燃后，其其聚变产产物在周周围燃料料中的能能量沉积积，进一一步将四四周的燃燃料点燃燃，形成成一个由由内向外外传播的的球形热热核燃烧烧波。4、驱动器器脉冲形形状和冲冲击波序序列为了对燃燃料进行行等熵的的、高密密度的压压缩，需需要一系系列强度度逐渐增增大的冲冲击波，，并且还还要对它它们在时时间上进进行适当当的调制制，以便便它们在在达到最最大压缩缩的时刻刻能同时时到达靶靶丸中心心。一般来说说，驱动动器脉冲冲波形在在开始时时刻要低低功率，，脉冲的的尾部要要求高功功率使脉脉冲最后后达到坍坍塌。V1V0VP0P1PP1=H(V1，P0，V0)，H—曲线P1=P(V，S)，绝热曲线P—V曲线下面面的面积积表示压压缩气体体所需要要的功，，H—曲线位于于绝热线线之上，，这意味味着通过过一次冲冲击波压压缩比绝绝热（等等熵）压压缩需要要做更多多的功。。冲击波波越强，，H—曲线偏离离绝热曲曲线越远远，则冲冲击波压压缩需作作更多的的功。这这就是说说强冲击击波进行行压缩是是不合算算的。另外系统统的熵随随冲击波波的强度度做对数数增加，，在弱冲冲击波条条件下，，压缩几几乎是等等熵的，，即研究表明明，对于于球形的的向中心心汇聚的的冲击波波，一次次压缩能能产生30多倍的压压缩比，，即密度度增大30多倍。若继续采采用这种种方式使使燃料经经过多次次冲击波波的压缩缩，就能能达到越越来越高高的密度度以达到到热核燃燃料燃烧烧的条件件。同时，从从前面的的结果可可以知道道，强冲冲击波压压缩是不不等熵的的，但却却能大大大地提高高燃料的的温度，，表明简简单的强强冲击波波更适用用于热斑斑的点火火。于是可以以产生一一连串强强度越来来越大的的冲击波波，同时时在时间间上调节节使它们们在达到到热斑之之前，后后继的波波不会超超越前面面的波，，后面的的追赶前前面的，，而且同同时在靶靶芯会聚聚。这就要求求对应的的驱动器器脉冲幅幅度逐渐渐上升并并均匀地地沉积在在靶丸表表面上。。但实现起起来还有有很大难难度。P时间t/ns功率/TW00.20.40.60.81.001.752.53.755.06.757.5时间/ns5、聚爆速度度和驱动器器能量沉积积假设燃料在在较低的温温度（３keV）下燃烧，，那么燃料料离子的热热速度约为为3×107cm/s，这是靶壳壳聚爆应具具有的速度度，驱动器器大约要在在靶丸中沉沉积20MJ/g的比能量。。假设消融体体以大约相相等于聚爆爆的速度喷喷射，于是是所需的驱驱动器的输输入能量是是：式中λ是驱动器粒粒子在靶物物质中的射射程，ρ是吸收物区区物质的密密度。对λρ求解得：式中P为驱动器脉脉冲的平均均功率，τ为脉冲长度度，I为平均功率率密度。有有效的聚爆爆功率密度度I要近似达到到1014W/cm2，τ约为20ns，这样λρ约为100mg/cm2。这一数值大大致与轻粒粒子和重离离子在冷物物质中的射射程相当。。短波长的的激光也可可以达到这这一数值。。6、瑞利—泰勒不稳定定性的限制制在聚爆期间间，较轻的的燃料层和和外围的较较重的护持持层之间的的界面，很很可能发生生瑞利—泰勒不稳定定性。将可可能破坏稳稳定的压缩缩，降低聚聚爆效率，，甚至使点点火熄灭。。初步分析认认为，薄靶靶、壳界面面间存在大大密度差、、大加速度度和短波长长扰动最易易发生不稳稳定性。因此，在设设计时靶丸丸的纵横比比要小一些些；尽量避避免高密度度壳层与低低密度壳层层的直接接接触，在他他们之间可可以加一过过渡层来减减少密度梯梯度等。7、防止燃料料的预热驱动器打靶靶时，燃料料的任何预预热都将降降低聚爆效效率和压缩缩所能达到到的峰值，，最终降低低靶丸的能能量增益。。希望压缩缩过程是等等熵的，且且在最终的的坍塌之前前燃料应保保持相对冷冷的状态。。预热是由于于驱动器束束流在靶外外层产生的的超热电子子或X射线的直接接沉积，或或者是聚爆爆冲击波对对燃料的过过早加热。。为了避免预预热，要设设法将燃料料屏蔽起来来，使之与与辐射隔开开。措施是是包围燃料料的护持层层要有适当当的厚度，，或者是采采用内、外外护持层。。三、某些特特殊靶的设设计一种中空的的球体，由由单层薄玻玻璃壳和壳壳内充约30个大气压的的低密度的的D-T气体组成。。玻璃微球靶靶丸1、玻璃微球球靶（爆炸炸推进器靶靶）典型的玻璃璃微球靶丸丸的聚爆动动力学为：：驱动束入射射在靶丸上上，在脉冲冲初期逆韧韧致吸收是是其主要的的加热机制制。整个玻璃壳壳的迅速受受热膨胀产产生大量的的低Z冕，导致共共振吸收的的增强，于于是有大量量的热电子子发生。热电子和超超热电子被被阻滞于玻玻璃壳中，，而能量更更高的电子子可以贯穿穿整个靶丸丸透射出去去。为了得到最最佳的中子子产额，要要求驱动器器脉冲能在在壳爆炸发发生前上升升到峰值，，以便产生生一个超前前于它的强强大的冲击击波进入D-T燃料中进行行加热和压压缩。产生的热电电子提供大大量的能量量去驱动玻玻璃壳聚爆爆。激光入射产生超热电电子靶壳爆炸，，一半向外外，一半向向内D-T燃料压缩、、加热到聚聚变条件，，点火燃料料，燃料波波在整个靶靶中传播玻璃微球靶靶对驱动器器脉冲并不不十分苛刻刻：脉冲无无需特地成成形，照明明无需严格格对称，靶靶丸本身也也不一定要要有太高的的制作精度度，因此这这种靶丸比比较容易生生产。它们们的聚爆特特性能完全全使用X射线、离子子和中子诊诊断技术来来进行全面面的研究。。它对研究驱驱动束流同同靶物质的的相互作用用、热电子子的输运禁禁阻、快电电子的产生生和输运、、聚爆动力力学等，都都是非常重重要的。缺点：（1）不能对燃燃料进行有有效的压缩缩；（2）激光在靶靶中的吸收收效率低，，只有1/4的吸收能变变成有用的的功。于是，进一一步设计高高增益的靶靶丸就势在在必行了。。2、高增益聚聚变靶丸高增益靶丸丸一般具有有多层结构构，其最外外层是由低低Z物质构成的的消融层，，中间层是是由高Z物质构成的的推进层，，再里面才才是燃料层层。这类多壳层层靶适用于于高能量、、高功率密密度的驱动动器，又因因驱动器的的不同而有有所差异。。（1）激光聚变变靶丸最外层是LiH消融层，TaCOH组成推进层层，再里面面是悬浮的的D-T燃料层（纵纵横比为3～5）。消融层与推推进层物质质的密度大大体上相当当，有助于于避免流体体力学不稳稳定性。推进层是浸浸渍了高Z物质的塑料料（TaCOH），它对电电子有较强强的阻止本本领。最里面悬浮浮着一个含含有D-T燃料的小的的金包囊，，这就是中中央点火器器或“火花花塞”。在外推进层层和内推进进层之间用用真空、充充气或填充充泡沫塑料料隔开。激光聚变靶靶丸这种靶丸的的聚爆动力学学为：激光在LiH消融层中被被吸收，将将外推进层层和外燃料料层向中心心聚爆，并并将点火器器压缩、加加热到点火火条件。点点火器外面面的金包层层，能阻止止激光产生生的超热电电子和外燃燃料层中产产生的X射线，从而而降低中心心点火器的的点火温度度。点火器器燃烧后，，燃烧波再再进一步加加热已挤压压在其周围围的外层D-T燃料。优点：这种有双层层推进器且且有中心点点火器的靶靶丸，将大大大改善其其聚爆性能，有中心点点火器就允允许初始冲冲击波的速速度低一些些，壳层间间的速度倍倍增又允许许外壳以较较低的速度度聚爆。这这种靶丸将将使激光能能得到高效效的利用和和产生很高高的增益。。这种靶丸的的问题：①外层燃料和和点火器的的金包壳在在聚爆过程程中可能会会发生混合合；②多壳层靶的的制造在技技术上很复复杂：各壳壳层要求均均匀、同心心，壳层间间的支撑（（采用薄片片或辐条））要考虑流流体力学不不稳定性的的要求，表表面抛光、、中心点火火器的金包包囊悬浮等等，都有很很高的技术术难度。（2）离子束靶靶丸靶壳是由Pb组成的护持持层，一个个低密的塑塑料（TaCOH）推进器（（消融器））和一层冻冻结的D-T燃料层相邻邻，以减少少推进层和和燃料层之之间的密度度差，靶的的纵横比是是10。聚爆过程为为：驱动粒子束束打在靶上上，由于离离子能量沉沉积存在Bragg峰，它们将将被Pb护持层和TaCOH推进器所阻阻止。Pb壳的作用是是作惯性缓缓冲以改进进聚爆效率率。推进器驱动动燃料向中中心聚爆，，大部分燃燃料基本上上沿着等熵熵线压缩。。燃料内缘缘最初降压压进入中空空部分直至至达到中心心，接着它它被反射回回来与大部部分燃料碰碰撞再被反反射回中心心。多次反射结结果将燃料料内层（只只占全部燃燃料的一小小部分）等等熵压缩，，然后全部部燃料被压压缩直至中中央部分点点火。优点：结构简单，，比多壳靶靶易于生产产；低密度推进进器可以更更好的抑制制流体力学学不稳定性性，从而改改善推进器器和燃料的的混合问题题；由于粒子束束的能量转转换效率较较高（约25%），以几MJ的输入能，，得到约100倍的能量增增益是相当当不错的。。为达到同样样的射程，，较重的离离子必须有有较高的输输入能。3、黑黑洞洞靶靶（（空空腔腔靶靶））由来来：：对于于直直接接驱驱动动方方式式，，即即驱驱动动束束直直接接辐辐照照在在靶靶丸丸表表面面引引起起靶靶壳壳烧烧蚀蚀消消融融产产生生聚聚爆爆压压缩缩，，这这种种驱驱动动方方式式驱驱动动束束的的能能量量利利用用效效率率低低，，难难以以得得到到很很高高的的压压缩缩比比。。直接接驱驱动动对对束束流流辐辐照照的的对对称称性性和和均均匀匀性性要要求求很很高高，，这这在在技技术术上上有有很很多多困困难难，，于于是是出出现现了了间间接接驱驱动动方方式式。。具有有双双壳壳层层的的靶靶球球，，在在靶靶球球的的外外壳壳上上开开几几个个孔孔，，驱驱动动束束从从小小孔孔中中打打入入球球内内，，内内球球中中封封装装DT燃料料。。工作作原原理理为为：：当驱驱动动束束（（如如激激光光））通通过过外外壳壳上上的的小小孔孔打打入入球球内内后后，，首首先先在在外外壳壳的的内内壁壁上上被被吸吸收收，，产产生生X光和和等等离离子子体体。。这这些些X射线线和和等等离离子子体体由由于于受受到到黑黑洞洞结结构构的的约约束束，，充充满满了了内内外外球球之之间间的的空空间间。。它们们在在两两个个球球面面之之间间不不断断遭遭到到反反射射并并与与腔腔壁壁作作用用，，其其中中有有一一部部分分通通过过入入射射孔孔逃逃逸逸出出去去。。X光和和等等离离子子体体与与腔腔壁壁的的作作用用最最终终导导致致内内球球的的聚聚爆爆，，同同时时腔腔内内形形成成一一个个由由内内向向外外传传播播的的冲冲击击波波，，当当该该冲冲击击波波传传播播到到腔腔的的外外壁壁时时，，黑黑洞洞靶靶即即告告解解体体。。优点点：：辐照照的的均均匀匀性性极极好好、、聚聚爆爆效效率率高高，，而而且且对对激激光光的的波波长长和和波波形形都都不不很很灵灵敏敏。。由由于于X光辐辐照照在在腔腔内内多多次次来来回回反反射射，，内内球球均均匀匀地地沐沐浴浴在在