光电简报201618-上海技术物理研究所图书馆.PDF

光电信息简报 编号：2016-18 总第363 期 2016-09-20 本期目录 激光聚变与大激光装置 激光惯性约束核聚变 LMJ 激光装置上靶诊断器的必威体育精装版进展 第一次直接驱动聚变 惯性约束聚变爆炸中燃料烧蚀体界面不稳定性增长的首次实验 激光加速 全光控制电子脉冲及测量 Weibel 模调制的非线性束流碰撞中的场与等离子体动力学的解析预测 中科院上海光学精密机械研究所 光电信息简报201618 激光聚变与大激光装置 激光惯性约束核聚变 随着高功率激光的诞生，在实验室条件下产生高能量密度环境也变得易于实现。 强激光产生的高能量密度通常由十亿个大气压强单位来衡量，相当于 1014Jm-3 或者 -3 100kJmm 。在实验室实现如此高的极端压强的可能使科学工作者在激光诞生之初就 希望实现聚变反应。 1972年Nuckolls 首先提出利用高功率激光压缩微型靶丸从而使热核燃料达到点 火条件的方案。被压缩的核中（图1 所示），等离子体的惯性使等离子体的压强维持 足够长的时间使得热核烧蚀能够产生大量的聚变反应，这个过程称为惯性约束核聚 4 变（ICF ）。具有最大聚变截面的氘氚反应[D+T→n(14.1MeV)+ He(3.5MeV)] ，需要 数千万度或者keV （1keV≈11.3 百万摄氏度）的温度来逃离库仑势的束缚。在实现 点火的氘氚等离子体中，一部分α粒子（3.5MeV ）的能量沉积在等离子中，进一步 升高了等离子体的温度以及聚变反应效率。这个自加热（或α加热）过程能够使聚 变能量达到使等离子体达到点火条件的输入能量的数倍以上。 图1 间接驱动和直接驱动的ICF 示意图 1 光电信息简报201618 当氘氚燃料加热到几keV 时，热核点火的发生条件由劳森判据决定。对于惯性 聚变，劳森判据可以近似写作P τ＞11f(T)/ θ，其中，P 是等离子体压强，τ是燃 α 料的惯性约束的秒数，θ 是沉积在燃料中的α粒子比例，f(T)为温度T 的无量纲函 α 数。点火过程始于低密度区域的热等离子体（称为热斑），而大部分燃料都包含在 热斑周围的稠密压缩壳中（图1 所示）。对于均匀球对称的压缩过程，劳森判据可 以写为ρR(T/4.7) ＞1，其中ρR 以gcm-2 为单位，T 以keV 为单位 （不计α加热）。 这种形式的点火条件表明实现点火需要足够大的面密度（低绝热线，绝热线=P/Pfermi ） 以及足够热的核（高速）。然而高速的靶丸在低绝热线水平的内爆容易受到流体不 稳定性的影响，引起靶丸表面不均匀性的快速增长，从而使最终点火过程的的压缩 以及终止受到严重破坏。不稳定性的增长可以通过降低速度或者提高绝热线实现， 但是代价是压缩减小。因此，在压缩与稳定性间寻找较佳的平衡点来实现最大的劳 森参数P τ是惯性聚变成功的关键。 图2 劳森参数P τ和离子温度Tion 下的间接驱动与直接驱动的ICF 表现 现阶段在国家点火装置 （NIF ）上已经达到了点火需要的P τ值（大于20 大气 压，入图2 所示）的一半以上。尽管实现点火仍然是亟待探索的目标，NIF 的内爆 实验首次证实了聚变产出能量高于氘氚燃料的总能量（热能和动能）。NIF 的点火 规模内爆采用的是间接点火方案，激光先辐照高Z 值的黑体腔内壁产生X 射线。半 径约 1mm 的球形靶丸放置在黑体腔内，由外层塑料（或其他低Z 材料）壳（烧蚀 层）包含内层低温固体氘氚组成（图 1）。X 射线入射到靶丸外层使外层大量烧蚀 产生向内的动量（火箭效应）驱动内爆的产生。目前，X 射线驱动的低阶不对