惯性约束聚变的高分辨x射线成像分析

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1、第一章引言1．1聚变研究简介第一章引言能源是人类赖以生存和发展的最基本的要素，是社会进步与经济发展的重要物质基础。目前，人们广泛使用的能源是石油、煤和天然气等化石能源。这些化石能源是自然界中的植物和动物经过数百万年演变形成的，都是不可再生的。自从进入工业化社会以来，人类对能源的消耗在极速上升。截止到上世纪末，地球上几乎50％的化石能源已经被人类消耗。据联合国相关部门的估测，如果按照人类目前消耗能源的速度来计算，地球上目前的煤储存量能再供使用240年，天然气66年，石油43年。不仅如此，这些化石能源的使用与开发，已经给地球大气带来了严重的污染，并对生态系统造成了严重

2、的破坏。在这样严峻的形势下，人们开始对新能源进行积极的探索。目前正在被开发和使用的风能、太阳能等新型能源虽然可以再生，但无法满足人类日益增长的能源需求，在化石能源被消耗尽以前，无法成为解决能源危机的主要途径。核裂能变虽然效益可观，但裂变反应堆所需的核燃料在地球上的储藏非常有限，而且裂变反应的过程中会产生很强的辐射，产生的核废料也很难处理。102Ol5lO2050100150200250massnumberA图1．1各种原子核的结合能【lJ。轻核聚变和重核裂变都会释放出能量，单位质量轻核聚变释放出的能量要比重核裂变释放出能量大得多1952年，世界上第一颗氢弹在美国的

3、一个岛上爆炸成功。氢弹的爆炸成功让人类看到了核聚变所蕴含的巨大能量，人类的目光开始投向了可控核聚变。就相第一章引言同质量而言，核聚变反应所产生的能量比核裂变反应所产生的能量多得多，如图Il所示。地球上核聚变燃料的蕴藏远比核裂变能燃料丰富。据估算，每千克海水中含有30毫克的氘，地球上的海水中氘的储藏量约为4．5×10”吨。1干克海水中的氘如果全部都发生核聚变反应，释放出的能量与300升汽油燃烧相当。如果地球上海水中含有的氘全部发生聚变反应，所产生的能量，按照目前人类对能源消耗的速度来计算，足够使用几十亿年。核聚变的另外一个优点是运行安全．且不会造成环境污染。核聚变不

4、会产生放射性的核废料，也不会排放出温室气体。由于核聚变是依赖高温运行的，一旦系统出现故障，高温将不能维持，聚变反应就会自动终止，不会旋生像裂变反应堆那样的核事故。12惯性约束核聚变概述目前．在地球上实现受控核聚变反应主要有两种途径：磁约束核聚变fMcF)和惯性约束核聚变(ICF)。磁约柬核聚变主要是用强磁场来约柬低密度氘氚等离子体，依靠长时间约束来达到点火条件而发生聚变反应。惯性约束是依靠高能驱动源轰击靶丸，使靶丸外层物质被加热形成高温等离子体向外膨胀，其反作用力就会产生强大的向心内爆压缩力，在这个巨大的向心力的作用下，内层燃料被压缩到极高的密度和温度．达到聚变反

5、应条件，其原理与氢弹原理相同[21。磁约束核聚变和惯性约束核聚变的不同在于，磁约束核聚变等离子体的密度比较低，约为10”c一，约柬时间比较长，为秒的量级。惯性约束核浆变等离子体密度非常高，约为10”cm。，而约束时间比较短．仅为纳秒量级。潦豢骞0图12惯性约束核聚变的基本原理示意图口I惯性约束核聚变反应过程可分为以下4个阶段：(1)由辐照靶丸的高功率辐射场将靶丸外部物质迅速地加热到等离子体状态；(2)靶丸外层等离子体向外高速膨胀，产生的内爆压缩力对靶丸进行向心压缩；(3)向心压缩力将靶丸压缩至一定程度，使内层燃料达到极高的密度和温度，达到聚变反应条件；(4)靶丸燃

6、料发生聚变反应，并释放能量。第一章引言(a)一Directdrive离紫fIOw{f∞morsolidlSoJJdurLiquidmeIC+a{eousfuel{atAdvantage；‘HigherCoUpling●fncknoyma“：aakltWaoUon谧逛。，蹙‘Rdaxedbe⋯nIfOrm}～·ReducedhydrodynamicInstabll脚-$19nlfl⋯ntm⋯a『i～forh⋯andkmbe⋯图l3直接驱动和间接驱动的原理示意图”1惯性约束核聚变有两种方案；直接驱动和间接驱动吼直接驱动是指用多路激光束直接照射充有核燃料的靶丸，靶丸表面

7、的物质受到激光的烧蚀向外喷射，其反作用力向心压缩靶丸，使靶芯核燃料达到点火条件。直接驱动的优点是激光能量的利用率比较高。但直接驱动要求激光束必须非常均匀，而且要求激光的脉冲前沿比较平滑，以抑制流体力学不稳定性对靶丸对称压缩的影响。另一种方案是间接驱动，将靶丸放置在由高z材料(如金)制成的黑腔中，利用激光束(或离子束)照射黑腔内壁产生x射线，x射线在黑腔内经过多次发射和吸收的过程，产生比较均匀的x射线辐射场，x射线辐照并压缩放置在黑腔内的靶丸。由于x射线辐射场要比激光场均匀得多，因此可以克服非均匀辐照引起的流体力学不稳定性的问题，这使得间接驱动成为目前被看好的一种方

8、案。ign