论文--激光聚变的回顾与展望

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1、激光聚变的回顾与展望摘要我们组小论文的主要内容是激光聚变的review，以及我们对于未来前景的一些想法。众所周知，可控核聚变是人类彻底解决能源问题的可能途径之一，也是物理学的光荣与梦想。目前来看，实现可控核聚变的方式主要有两个，一个是磁约束聚变，另一个是惯性约束聚变。而激光聚变是惯性约束聚变的一种，其发展速度很快，值得我们关注。关键词激光聚变回顾展望1.引言我们组的选题为激光聚变的回顾与展望，期间我们做了大量的调研工作，也进行了一些自己的推导（这些推导主要是验证性的）。由于上个星期考试，我们没有时间做成PPT向大家展示，只

2、能把我们的一些调研和想法写到本小论文里。1.1核聚变研究历史简述--迈向激光聚变可控核聚变是人类彻底解决能源问题的可能途径之一，也是物理学的光荣与梦想。目前来看，实现可控核聚变的方式主要有两个，一个是磁约束聚变，另一个是惯性约束聚变。而激光聚变是惯性约束聚变的一种。大致说来，可控聚变的研究就是学习怎么操控等离子体。仿星器、托卡马克等装置都是试图用磁场来控制等离子体，然而，美国ITER技术咨询委员会现任主席查尔斯•贝克说：“无论你对它们做什么，等离子体总是会有一点不稳定。”难以驯服的等离子体让科学家们不断受挫，但同时也让他们

3、萌生了另辟蹊径的想法。２０世纪７０年代能源危机发生时，通往核聚变的另一条平行的研究计划也诞生了，科学家希望这条新的途径能够避免磁约束等离子体中遇到的一些问题。这些技术用许多束激光去压缩和加热一个由氘和氚构成的靶丸。这就是激光聚变研究的发端。总体上，按照高功率激光驱动器，可以划分为如下的三个层次：第一代驱动器以探究聚变物理为牵引目标，釆用“MOPA”(主振荡放大）结构，其特征为：单程放大，能量提取效率低，结构分离，单位能量造价较高。典型装置为美国利弗莫尔实验室的Shiva以及Nova,罗切斯特大学的OMEGA,日本大阪大学的

4、Gekko-XII，以及中国的SG-II。第二代驱动器以实现点火为牵引目标，主要特点为多程放大，模块化，组合结构，能量提取效率较高。典型装置为美国LLNL的NIF,法国的LMJ。第三代驱动器以聚变能演示为牵引，设计目标为lOHz高重频，能量效率高〉10%，输出能量大于10MJ。美国的LIFE计划以及欧洲的HiPER计划都是以第三代驱动器作为其驱动装置。1.2曙光据美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室7月12日报告，美国国家点火装置7月5日发射了192束激光，并使其融合成了一个激光脉冲，产生了500万亿瓦特峰值功率，这比美国在任何特

5、定时刻内使用的总电量还要高1000多倍，并且是人类历史上发射的能量最大的激光脉冲。在9月底的一次试验中，核聚变产生的能量首次超过了燃料吸收的能量！这是历史性的进展，也带来了新的问题：磁约束聚变还是激光聚变？ITER还是NIF？这是一个问题。以下我们主要介绍一下激光聚变。2.激光聚变的理论推导激光聚变的原理可以用一句话定性地说明：强激光或者X射线从各个方向照射靶丸，激光或者X射线烧烛聚变燃料，一些燃料被向外抛出，与此同时另一部分燃料则向内运动压缩剩余燃料直至满足聚变点火条件，聚变发生，产生大量能量。当然，我们需要定量的推导。

6、以下为我们验证性地推导原理。2.1核聚变理论推导根据爱因斯坦的质能方程，核反应产物的总质量小于反应前核材料的总质量，那么反应为放热反应，放出能量的大小为:最容易实现的聚变反应为氘(D,Deuterium)和氚(T,Tritium)生成一个氦核以及一个中子的反应。目前主流聚变装置就是利用这个反应来实现聚变能，以下我们也已这个为例推导。惯性约束聚变并不依赖外界的约束手段，而是依赖于物质的惯性将聚变燃料在很短时间内压缩至高压高密度的状态以达到聚变点火的条件，因此可以说惯性约束是一种脉冲的概念。Dawson等人给出了聚变实现必须满

7、足的条件，即Lawson判据。下面推导Lawson判据。伟大的科学家Gomov得到低能区全部的核反应截面为：，E为质心系碰撞能量，S、G为常数，随元素而异。以氘氚为例，单位体积单位时间发生核聚变的次数为：其中，为克罗内克符号。推导得：（）有具体的热力学分布函数可得的值。再设Q为发生一次氘氚聚变所释放的能量，假设(N为反应物质单位体积内粒子数)，由于D与D反应的反应截面远小于DT反应的反应截面。所以D与D的反应可忽略不计易得聚变反应的功率密度：功率密度若聚变可以自持，则应满足等离子体的聚变放能大于维持等离子体消耗的能量。设等

8、离子体的约束时间为τ则应有：得：这就是所谓的Lawson判据！由于激光约束核聚变的反应在靶丸内进行，由此我们也可以得到更为实用的ρR判据。其中ρ为密度，R为靶丸半径。由ρ=mn,R=得（v代表靶丸等离子体中的声速）由于实验中不可避免有各种能量损耗，因此实际的判据应该比以上结果大。但上式给了我们一个很好的