哈工程核学院第一个课程设计 第三章5.ppt

惯性约束聚变 IFC靶丸聚爆物理学 Inertial Confinement Fusion 三、内爆和压缩 1、内爆的形成 当驱动束从四面八方对称而均匀地照射在由D-T组成的靶丸上时，靶丸表面将迅速汽化、电离并消融成包围靶丸的低密度等离子体或叫做冕。 冕中电子不断地从入射激光中吸收更多的能量，通过能量输运，靶丸表面将继续被加热和消融。 迅速消融并向周围空间喷射的等离子体将驱动反向冲击波进入靶丸之中向内会聚，挤压前方冷的D-T燃料到越来越高的密度。 理论计算表明，当靶壳物质约80%被烧蚀并向外喷射，剩余20%的靶壳物质被向内压缩，这时可以达到最有效的将在靶壳上吸收的能量转变为剩余靶物质向内运动的动能。 向内运动的剩余靶物质为推进层，将靶壳上吸收的激光能量转化为推进层的动能的效率称为流体力学效率，理论计算表明其最高效率为0.081左右。 关键在于要使靶壳外表面充分的烧蚀，产生温度很高的等离子体，只有向外喷射速度很快，才能给推进层很大的反作用力，使推进层得到很大的加速度。 计算表明，只有推进层的速度达到2×107cm/s时才有可能实现点火，难度在于靶壳的厚度很薄，激光在加热外层靶壳时，不能把靶烧穿，也不能将剩下的20%左右的靶壳烧穿，否则激光直接加热靶丸中心，导致无法压缩。同时推进层也不能破裂。 上面的结论可以解析为，在一维和绝热条件下，并且假定靶壳等离子体中的电子和离子温度相同，根据运动方程和连续性方程，可以推得推进层的动能和入射激光的能量之比为： 其中m0为壳体质量，m为推进层质量。 可以推得当 时， 即m0=5m，推进层的质量为靶壳质量的20%时，内爆流体力学效率最高。 靶体 晕区 冷燃料 消融面 冲击波 临界面 消融 电子传导 驱动器 靶丸聚爆中的流体力学和能量输运 2、压缩是关键和绝对必要的 压缩的重要性在于只有将热核燃料压缩到高密度才能得到高燃耗。 靶壳物质在向内压缩靶丸物质的同时，能量在等离子体中以等离子体中的声速向内传播，因此靶丸的解体时间为： 其中R为靶丸压缩后的半径，Cs为等离子体中的声速。 燃料离子能够起反应的平均时间为： 在一个D和T数目各半（nT=nD）的等离子体中，每秒钟发生的反应数为： 其中 是指反应截面在离子的麦克斯韦分布范围内的平均值 燃耗的定义为： 根据以上各式可得： 其中 ，mD和mT是D和T的原子量。 在D—T反应，当温度为20keV时，估算得： 可得： 当 时， 由上面的公式可以看出： ρR值越大，燃耗就越大。也就是说，压缩比越高ρR值越大，热核燃烧就越充分，释放的能量也越多； 增加等离子体的密度，就可以增加燃烧百分比，也可以提高能量增益； 增加靶丸的半径也可以增加燃烧百分比，但同时驱动器的能量必须有很大的增加，不可取。 因此，提高燃耗或能量增益的主要途径是提高等离子体的密度 。 燃烧率不仅与约束时间有关，而且与燃料本身的密度有关。密度越大，约束时间越长，燃烧率就越高。道理很显然，密度大、约束时间长，发生巨变反应的粒子数就越多，就会有更多的燃料被烧掉。 但压缩使靶丸的半径变小，会使燃烧率下降。然而，靶丸半径的缩小，却反过来会使燃料密度急剧增加。这是因为密度与半径的3次方成反比，在压缩中，靶丸半径减小的幅度远远小于燃料密度增加的幅度。压缩的最终结果是燃烧率随压缩程度的增大而提高。 驱动器的能量通过消融聚爆压缩，冲击波最后在中心坍塌，芯部点燃，此即“中心点火”。考虑到热核燃耗份额、驱动器的能量转换效率等因素，仅依靠驱动器能量沉积想将燃料整体同时点燃并得到很高的增益是不可能的。 靶丸聚爆的结果只能点燃占燃料总质量10%（热斑区）的核燃料，如5keV时热斑区的ρR=0.3g/cm2，其余燃料的聚变燃烧，自加热将起主要的作用。 4、中心点火和燃烧传播 所谓“自加热”，是指一旦驱动器的能量将靶心燃料点燃，聚变产物自身的能量（热核反应中放出的α粒子的能量）在其余燃料中的沉积，并将其加热到热核反应的温度产生聚变，于是产生热核反应燃烧波，从里向外直至整个燃料燃烧。 燃料密度的提高也可以促进等离子体的“自加热”。 α粒子带正电，很容易被等离子体吸收。如果等离子体被压缩到高密度， α粒子在其中的射程大大缩短，聚变产生的大部分α粒子会把能量沉积在等离子体中加热等离子体。 1、惯性约束聚变驱动器的基本要求 惯性约束聚变发电站所需要的驱动器必须具有下面几个特点： （一）必须具备能将靶丸点燃并使靶上的能量增益达到足够高的数值； （二）具有好的可靠性和重复性；