哈工程核学院第一个课程设计第三章2

惯性约束聚变驱动束的能量沉积和输运InertialConfinementFusion二、离子束的能量沉积激光作为惯性约束聚变驱动器的一个严重问题：在高强度下束靶相互作用的某些非线性效应变得很重要并导致超热电子的产生。这些超热电子会预热燃料，使聚变效率下降。如何解决超热电子的产生是靶设计中有待解决的问题。离子束作为ICF的驱动器的好处：它与物质的相互作用机制基本上是经典的库仑碰撞，这种机制是研究的比较清楚的，因此可以用经典公式来加以描述，使得人们较有把握地预言束-靶的能量交换关系。离子束在靶物质中不仅阻止本领大，而且其能量其中沉积在其射程的末端附近。其大部分能量都为靶浅层吸收，有利于靶丸的聚爆。离子束能量沉积特性1、离子射程条件为有效地驱动惯性约束聚变靶聚爆，离子束在靶中的能量沉积必须能够产生107cm/s的消融速度，消融爆炸应产生的2×107cm/s聚爆速度，这是热核点火需要的最小速度。与此速度相对应的靶物质的比动能是5×106J/g，如果考虑消融物质的热能，全部比动能约为2×107J/g。设靶丸为球形靶，半径为r，壳厚为Δr，R表示离子的射程，因R=ρΔr，于是有：对一经典靶，r约为0.3cm，E约5×106J，则要求R≈40～200mg/cm2。射程100mg/cm2的离子低强度离子束在冷物质中的阻止本领已经有许多理论和实验研究。这些结果也可用于离子束在惯性约束核聚变的消融物质中的阻止本领的研究上。但考虑到此时消融物质的高温和强流，就必须对低强度的结构进行某些修正。2、离子在物质中的经典阻止本领离子在物质中慢化的基本机制是通过库伦作用，靶物质的束缚原子在离子的作用下发生激发和电离，这种离子阻止过程通常用Bethe方程描述：

为平均电离电位；即使对高能（103MeV）离子，射程仍然不超过0.1mm。在Bethe公式中，平均电离电位是很重要的参量，通常由实验测定。对于较高的电离态，这个公式是发散的，在考虑了壳修正后，粒子能量较低时Bethe模型得到了改进，但能量很低时仍然无效。此时习惯上利用LSS模型，用束缚电子的Thomas-Fermi理论描述，并且将电离和激发的阻止本领加到射弹离子的核弹性散射上去，电子的贡献为：于是高能离子在冷物质中的阻止本领可以估计为：核弹性散射的贡献可以表示为：射弹离子的有效电荷可以表示为：以上模型只是适当地描述了离子在冷物质中的阻止情况。在离子束作为惯性约束核聚变驱动器的情况下，离子束入射到靶上沉积能量，消融靶物质到高温（几百eV，甚至更高），靶物质电离形成高温等离子体，此时电离产生的大量的自由电子将对阻止本领有相当的贡献。电离同时也改变了其余的束缚电子的性质并且屏蔽入射离子。高温电离将对离子束能量的沉积产生重大影响。对于自由电子，能量的损失关系为：对于等离子体中的离子组分，阻止本领的表达式为：在电离温度下，在稠密的惯性约束核聚变的消融体中，离子的阻止本领要比冷物质中的阻止本领情况复杂得多。在冷物质中，实验数据较多，在高温下，实验数据较少。

上述理论和模型属于低强度理论，即稀薄离子束的情况，这些理论是否可以应用于强流、高功率的离子束，还需要做进一步论证。3、离子的经典阻止理论举例单能C离子在固体金靶中的阻止本领如图所示，利用了带壳修正的Bethe理论和LSS模型所欲言的阻止结果。可见，Bethe理论在低能端是发散的，但可用LSS理论弥补。dE/d(ρx)(MeV/mg·cm2)E(MeV)在200eV温度和10%固体密度金中各部分的阻止本领，入射离子为C离子，可见自由电子对阻止本领的重要影响。dE/d(ρx)(MeV/mg·cm2)E(MeV)dE/d(A1ρx)深度（mg/cm2）三种离子在冷物质中和高温金（200eV、0.01倍固体密度）中所显示的不同的能量沉积特性。可见，在冷物质中，能量沉积存在Bragg峰，特别是质子；而在高温下这些Bragg峰基本消失，且电子对能量沉积的贡献占据了优势。dE/dx(MeV/cm)x(μm)如图示初始能量为10MeV的质子束垂直入射到由Pb和Al构成的靶壳上，Pb层（180μm）和Al层（320μm）对质子束的阻止本领。

选取Pb和Al作靶壳是因为它们作为护持器和推进器有合适的密度，而且它们产生的感生放射性也比较少。束流在Pb中损失20%的能量，在Al层中损失80%的能量。当大部分能量沉积在Al层中，Al层膨胀。由于包着Pb层，Al层只向内膨胀。t(ns)r(mm)如图为靶聚爆的模拟结果，可见：Al层膨胀，Pb层也膨胀并挤压里面的Al层，在聚爆期间Pb层和Al层间的界面保持稳定，Pb层有效地起着护持器的作用，Al层充分膨胀将它的热能几乎全部转化为D-T燃料和自身的动能。意义：

了解离子束在高温物质中能量沉积特性对于离子束聚变的靶丸设计是非常重要的，因为它左右着消融体应该具有的厚度和为达到2×107J/g的比能量所需的束流功率密度，这些数据都是靶设计的重要依据。三、等离子体中的能量输运驱动束入射在靶丸上，靶表面的某些原子将蒸发和电离，形成包围靶的等离子体，束流的能量继续在这样的等离子体冕区被继续吸收。如果驱动器是激光，激光束只能在临界密度面之外的区域沉积能量，而不能传输到密度高于临界密度的地方；如果驱动束是离子，将被包围靶的等离子体喷出云所屏蔽而贯穿不到更深的消融面。沉积于等离子体冕区的能量是通过一些热输运机制传输到更深的消融面引起靶壳层的连续消融的。惯性约束核聚变靶中的能量输运研究认为嘉靶等离子软体中的能福量输运机幕制主要有柴三类：电子热传筑导，超热盾电子输运达、辐射输锄运在高温岂等离子务体中，匀电子热笛传导是拨重要的节能量输冤运机制郊，因为土质量很温小的电评子在高轨温等离中子体冕往中有很假高的导释热系数声，这使树得电子巡寿导热过吐程高度伶非线性稀化。等离子特体吸收搞的高强跟度激光蒸（1015W/cm2）能量的殿相当部分辅似乎都产缩慧生超热电忌子，它们膝平均自由切程大，能见贯穿入密圆实的燃料驴中去，在法压缩之前锯预热燃料赶。在高温、洞高电离度少的等离子至体中，X射线的富能量输仿运可能丸是比电辣子能量拔输运更蒜为重要授的一种称输运机处制。1、电子广热传导电子和离厘子的导热狭率的一般王形式为：导热率强双烈地依赖叙于温度，炮所以在靶肆等离子体戒中的热传砍导是高度勒非线性化截的。然而，优激光-靶的相指互作用墨的实验功表明，宅电子在拘吸收激坝光能后授，其热往传导过林程会受执到其它发过程的伏抑制，董如超热应电子的祸输运、井自磁场比的产生狂、等离劲子体湍傻流等都动可能强康烈影响息冕中的估能量输贿运。所有实验察已经发现茫不管是长井脉冲或是庄短脉冲，身不管是高Z靶还是低Z靶，也不少管入射激成光是横向耀的还是纵饥向的都存标在很强的对热传导抑征制现象。实验发柳现冕区侍热通量诊的实际矮值，几松乎比经砖典物理纸所欲言议的值小凑了一个帽数量级根。目前，一北般认为导选致热传导峰抑制的机单制有：（1）自生遵磁场由于在星等离子汽体中存芹在很大配的热梯雹度和密榨度梯度孔，因而帜产生电大流并因棍此有自现磁场：在此区捎强磁场血可能引扰起很强蒙的热传内导抑制猴。（2）离子菠声湍流在热传导已去存在一缎种平衡热冷电子流的滴冷电子反悬流，通过突冷、热电垄子组分或商热电子和紧由等离子谱体喷出的谣离子流的宪逆流的作卡用产生不询稳定性，道不稳定性仓导致离子甘声湍流的育形成。电晶子同离子考声湍流的杀扰动散射懒就会有效止地增加电牢子-离子的壁碰撞效危率引起飞热传导修的抑制木。（3）不稳定库性是由热查流引起鞠电子分席布函数壮的各向璃异性导坦致的。丙这种各轰向异性饲可能引哈起小尺沿度的磁熄扰动，闪磁扰动欲会指数后增长。纺然后电锣子同磁安扰动发致生许多娱小的碰握撞而受族到偏折裂，导致佳一种有尺效的碰浸撞频率岸。（4）经典描效应可能有几候种经典效等应降低热科通量，如闹冕芯去耦想机制能产驼生平均自听由程远大恭于靶半径缓的热电子电。这些热晨电子在打梯进靶芯沉宝积能量之惠前要围绕悲冕摆动许巷多次。另地外，由冷地热电子流付反流产生社的电场一兵会抑制热宅传导。现在热传扰导抑制机戒制尚没有抓精确的确萍定，但实巧验已经证央明，在激坑光打靶中哨存在这种桌现象。现输在的分析昏可以预计客长波长激患光打靶，责热通量抑赏制较严重枕，而短波长华激光热刃通量抑骗制较轻。2、超热嘉电子输艳运证明激光蛙辐照等离朱子体的证斯据主要是钟通过分析骗靶发射的X射线。靶再所发射的爷连续谱线携或韧致辐障射可用来鸭推断靶的弄温度。详细的X射线测无量已经坛表明X射线的商发射不生能用一征种温度家来表征建，这说温明系统篇中存在志两种不壤同温度佛的电子—热电子膊和超热桨电子。超热组宿分的温雅度大约青是热电蓬子温度岭的10~2幅0倍。超热电子默在惯性约旁束核聚变记靶中的输忙运超热电餐子输运普是一种菜复杂的动过程，嗽因为它举们的平滩均自由嗓程特别税长，除起了高密宋的靶心惜，其余蹦等离子酸体对超煤热电子金都是相贱当透明良的，它舰们越过绘冕外区沿的空间员电荷势帮而被加忧速到高抗温，在舞压缩冲岂击波之璃前贯穿插消融区悬并预热沸靶心。超热电子艰是在激光芒聚变中有放待研究和缠解决的一抛个重要问镇题。抑制方法躁：（1）采用肢短波长挤的激光飞；（2）采用加晃大缓冲层捆的厚度或时采用多壳做层靶。3、辐射是输运（高温高氧电离等离终子体中，谢比电子能挣量输运更脱重要）等离子骆体发出云各种辐爸射的形页式：低温时眉：激发疾辐射；温度升谁高：复慎合辐射午增加；高温时病：韧致衰辐射起胶主导作锈用。惯性约贡束核聚防变的特矿征温度翅为keV量级，其制等离子体铁的辐射波抽段为X射线波目段。X射线辐旺射不仅乌在等离望子体能抚量转移被机制中铁起重要素的作用榨，而且摄它也强旨烈地影今响靶的凉聚爆和崇热核燃对烧动力道学：在聚爆容过程中求为使消冬融冲击如波在靶鸡芯达到永最佳会骑聚，从含能量沉呀积区到布消融面定的能量丢转移速街率需作鱼精心设扫计，否败则能量压转移效爆率对最盆佳值的娇稍稍偏贼离就会贯大大降矮低聚爆另效率；在燃料威热核燃支烧时，迅通过X射线而损驾失能量。在惯性订约束核棍聚变的纸许多靶播设计中较，燃料掏是用高Z的缓冲层偿包围着，槐这样燃烧的的燃料所厌产生的辐管射将被缓葱冲层和消惕融的靶物吊质所吸收铅。X射线辐射院还是等离验子体特征浩和聚爆过受程的一个杀重要的诊裕断手段。恼例如通过掌分析靶X射线的时煤间分布和X射线成像离技术可以饭得到电子