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激光原理及应用激光核聚变

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激光核聚变

激光核聚变（lasernuclearfusion）是以高功率激光作为驱动器的惯性

约束核聚变。在探索实现受控热核聚变反应过程中，随着激光技术的发展，1963

年苏联科学家N.巴索夫和1964年中国科学家王淦昌分别独立提出了用激光照射

在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应的构想，开辟了实现受控热核聚变反应

的新途径激光核聚变。激光核聚变要把直径为1毫米的聚变燃料小球均匀加热

到1亿度，激光器的能量就必须大于1亿焦，这在技术上是很难做到的。直到

1972年美国科学家J.纳科尔斯等人提出了向心爆聚原理以后，激光核聚变才

成为受控热核聚变研究中与磁约束聚变平行发展的研究途径。

1、基本原理

激光核聚变中的靶丸是球对称的。球的中心区域（半径约为3毫米）充有

低密度（≤1克/厘米3）的氘、氚气体。球壳由烧蚀层和燃料层组成：烧蚀层

的厚度为200—300微米，材料是二氧化硅等低Z（原子序数）材料；燃料层的

厚度约300微米，材料是液态氘、氚，其质量约5毫克。有的靶丸的中心区域

是真空，球壳由含有氘、氚元素的塑料组成。有的靶丸则用固体氘、氚燃料，

球壳由玻璃组成。

当激光对称照射在靶丸表面上时，烧蚀层表面材料便蒸发和电离，在靶丸

周围形成等离子体。激光束的部分能量在临界密度层处（该处的等离子体频率

与入射的激光频率相等）被反射掉，另一部分能量则被等离子体吸收并加热等

离子体。等离子体的热量通过热传导穿过临界密度层向烧蚀层内传递，烧蚀层

材料蒸发并向四周飞散产生反作用力（类似火箭推进原理），将靶丸球壳向靶心

压缩（爆聚）产生传播的球形激波，使靶丸内氘、氚燃料的密度和温度增加，

这种效应称为向心爆聚。如果激光脉冲的波形选得合适，则向心传播的球形激

波可会聚到靶丸球心区域，使球心区域一部分氘、氚燃料优先加热，形成热斑。

当热斑中的温度高到足以产生聚变反应时，则释放出的聚变能量就可驱动通过

靶丸径向向外传播的超声热核爆炸波，并在靶丸物质移动之前就能将燃料层的

聚变燃料加热并产生聚变反应，最后将烧蚀层毁掉。因此，激光束的能量仅用

于产生向心爆聚和加热靶心的热斑燃料上，不需将整个靶丸均匀加热到热核聚

变温度，从而降低了对激光器功率的要求。

实现激光核聚变有直接驱动法和间接驱动法两种：①直接驱动法是将激光

束直接照射在靶丸表面上，驱动器大多是钕玻璃激光器。优点是激光束的能量

利用效率高，运行可靠，且可进行时空控制。缺点是必须要求激光束均匀照射

在靶丸表面上，否则会造成向心爆聚的不对称，还可能在烧蚀层等离子体中产

生不稳定性，使靶壳破坏，造成靶壳和核聚变燃料相互混合而降低压缩（爆聚）

效果。此外激光功率的耦合效率（5%—10%）和重复发射脉冲的频率（每秒输出

1—10个激光脉冲）都不够高。研究中的新型激光驱动器有KrF准分子激光器及

用激光二极管泵浦的固体激光器等。KrF准分子激光器的优点是：波长较短，激

光吸收效率高，波形整形能力强，输出脉冲幅度可变动范围大等。但还存在诸

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多技术问题，如激光器的效率、脉冲的重复频率、光学传输的复杂性、激光器

的可靠性与耐用性及高成本等。激光泵浦的固体激光器的优点是重复频率高、

效率高，通过变频可使波长变短，获得高功率输出，运行可靠等。存在的问题

是激光二极管造价高，并需要找到长寿命荧光的激光材料。②间接驱动法是将