核聚变与等离子体物理 第三章ppt课件.ppt

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1、惯性约束聚变D-T化学炸药235U238U引爆管氢弹的爆炸是利用其中心的原子弹爆炸来引爆的，在原子弹爆炸的百万分之几秒内将氢弹中的热核装料迅速压缩到高温高密度，引起燃料的聚变燃烧，这一过程进行的非常短暂，以致由于燃料本身的惯性，在它们因膨胀但还没有来得及飞散之前，大量的聚变反应已经发生，形成威力强大的热核爆炸。在氢弹中进行的聚变反应根本没有对燃料等离子体采取任何约束措施，只是依靠燃料本身的惯性保持它们没有过早的解体，这就是惯性约束核聚变。氢弹爆炸的能量无法收集利用。惯性约束聚变研究的进展在1960年激光问世不久，很快就

2、有利用激光做聚变驱动源的想法。在1968年的第三届等离子体物理与聚变国际会议上，首次发表了激光聚变的文章。在1971年第四届出现了用电子束产生等离子体方面的论文。在1974年第五届国际会议上新增了惯性聚变分会，讨论了激光压缩加热和相对论电子压缩。美国在激光间接驱动研究方面处于领先地位，从80年代中期以来，利弗莫尔劳伦斯实验室在钕玻璃激光器NOVA上成功地进行了一系列靶物理实验，旨在研究激光靶耦合物理和内爆物理过程，证明激光聚变的科学可行性，力图实现点火和低增益燃烧。1988年，美国利用地下核试验时核爆产生的部分X射线转

3、化为惯性约束所需的辐射能，校验了间接驱动的原理，证明了高增益激光聚变的科学可行性。另外，美国还一直利用强大的计算能力对激光聚变进行模拟实验。实验研究、计算模拟，加上理论研究使得美国在惯性约束领域已经基本掌握了各个环节的主要规律。除了美国外，其他发达国家在激光聚变上也取得了很大的进步：日本在钕玻璃激光器GEKKO－XII上用直接驱动的方式压缩靶丸，获得了600倍固体密度的高度压缩。法国的Phebus也在进行类似于NOVA的间接驱动实验。由于激光聚变事实上类似于氢弹的爆炸过程，X辐射场又类似于核武器爆炸的效果，同时激光本身

4、就是一种武器，因此激光聚变一直受着各国特别是发达国家的强有力支持。除了改进激光器外，近年来，人们利用超短超强激光技术，提出了快点火的概念，力图在较低的驱动能量下实现点火；2001年，日本和英国科学家首次利用超短脉冲激光对“快点火”物理做了原理可行性演示，他们利用一束60TW（50J）的超短脉冲将常规的激光聚变中子产额提高了一个数量级；2002年又进一步把超短激光脉冲的能量提高到350J，从而使中子产额高了3个数量级，这两个实验的成功，使得建造廉价的ICF驱动装置在较低的能量上实现聚变“点火”的希望大增。20世纪60年代

5、已进行用激光打氘靶出中子实验，以后主要在增大激光的能量和提高光束品质方面努力。1987年神光Ⅰ号装置建成，共有两路激光输出，每路激光800J，脉宽1ns。在神光Ⅰ装置上开展了许多高功率激光和等离子体相互作用的研究。1984年，在上海高功率激光物理联合实验实建造神光II，它有八路激光，总能量为6kJ，三倍频后的输出能量约为3kJ。中国原子能科学研究院已建成一台氟化氪分子激光装置天光I号，它共有6束激光，激光能量为100J，已用于研究短波长高功率激光和等离子体的相互作用。国内的惯性约束核聚变研究：中国的惯性聚变界在快点火的

6、研究中也跟上了世界的步伐：中科院物理所建立起了具有国际先进水平的强场物理实验室，建成了脉宽25飞秒、峰值功率达1.4太瓦的高效率超短超强激光装置-极光I号，在高能电子的产生和传输的物理过程研究方面取得了很大的进展。中科院上海光机所的高功率激光物理国家实验室也建成了一台基于钕玻璃放大器的20TW超短脉冲系统，并已经开始了快点火实验的研究。三种热核燃烧点火方式a）激光ICF研究初期的靶物理方案设计是把劳森判据条件与燃料等离子体高温条件在时间上捆绑在一起考虑的，称为体点火方案。体点火只有简单的三个步骤，高密度压缩与高温点火在

7、惯性迟滞开始的时刻同时实现。这种点火方式对激光驱动器能量需求很高，每一发聚变打靶大约要消耗10MJ以上的激光能量。b）1972年，美国劳伦利弗莫尔国家实验室的John.Nuckdls提出了中心点火概念，把燃料预压缩和点火步骤分开实施。按照中心点火设计，当燃料被预压缩到惯性迟滞期的起始时刻时，由特定激光整形脉冲使此前各时刻激发出不同运动速度的击波恰好同时会聚在被压缩燃料核的中心，形成中心区局部升温，达到高温条件，引发中心热斑点火燃烧。点燃的热核反应释放出大量3.5Mev的α粒子，沉积在尚未点燃的其余预压缩燃料层中，使其迅

8、速升温，从而实现全部预压缩燃料的点火燃烧。c）1994年，M.Tabak提出了最新概念，用超强激光产生合适能量的超热电子或质子，使预压缩燃料边缘的局部区域升温，从而实现燃料点火。按照这一方案设计，用于点火及为有效点火需要在等离子体冕区打出通道的激光功率很高，但其能量仅为预压缩能量的1/20左右。这意味着，实现激光ICF增益所需的总