核聚变与等离子体物理-第三章4.pptVIP

惯性约束聚变;一、靶丸设计的一般要求;虽然靶丸设计因实验目的不同而有所差异，但一般来说，对惯性约束聚变靶丸要求如下：

〔1〕其中必须含有毫克级的D-T燃料，以保证产生足够的核聚变反响。这些靶丸聚变爆炸产生的冲击波的破坏作用有限，完全在可控的范围内。

〔2〕靶丸要有适宜的大小，直径大约在毫米量级。由于驱动束的能量限制，靶丸不能太大，靶丸越大需要的驱动束的能量越高。由于束流聚焦的限制，靶丸不能太小，假设靶丸很小，而束流焦斑比较大时，大局部束流就会白白浪费。希望聚变反响产生的带点粒子能对等离子体进行自加热，要求靶丸的半径要大于粒子的射程，靶丸不能太小。;〔3〕靶丸的构造有利于束流的能量沉积和容易得到高的能量增益。靶丸应是完全球形且具有多层结构，每一层的厚度要均匀，各层要高度同心，靶丸外表必须有很高的光洁度，靶丸材料中能产生长寿命的放射性同位素的核素应尽量少等。这些因素中有些相互制约，因此制备比较令人满意的靶丸需进行各因素的综合平衡。

〔4〕从将来的聚变堆应用考虑，靶丸的生产工艺还应该简单，价格要廉价，还要易于操作和储存。;另外，现在人们对ICF的各种物理过程了解得并不很清楚，多数过程的物理学图像还没有建立起来，对在极高温度、极高压力和极高密度下，物质又会出现怎样的特性也还缺乏足够的了解，这些都对靶丸的设计有重大的影响。

研制和生产符合上述要求的靶丸，会涉及到多种学科和许多高精度技术，如需要开发微加工技术、中空小球的制造技术、多种涂层技术和低温靶丸技术等。;二、靶丸设计的制约因素;消融靶丸示意图;〔1〕消融层

使用低Z的轻材料〔如聚乙烯、聚四氟乙烯、LiH和Be等〕，作用是充分吸收束流热能，减少X射线和高能电子的产生，以便减少对燃料靶心的预热。

当束流打在靶丸的外表时，大局部能量将被消融层吸收，消融层吸收能量后迅速爆炸而产生等离子体，等离子体急剧膨胀产生压缩冲击波向内压缩和加热里面的推进层。;〔2〕推进层

由高原子序数、高密度材料所组成，其作用为：

①使靶丸结构具有一定的刚性以便在???温下盛装初始的气体燃料；

②聚爆时对里面的燃料起屏蔽作用，进一步减少X射线和高能电子对燃料的预热；

③可以使燃料加热均匀，从而改善压缩，向内会聚产生聚爆动能，提高聚爆效率；

④在燃料燃烧期间，作为反射层使燃料得到更长时间的约束。;在某些设计中第一推进层里面还有第二推进层，两层之间用真空、气体或泡沫塑料隔开，这种双层推进器的设计有可能使聚爆速度倍增。

根据动量守恒和能量守恒：;由以上两式可以求得内推进器碰撞后速度和能量转移效率：;设m1/m2=1,2,4,8，由以上结果可求得m2的速度倍增和能量转移效率分别为1,4/3,8/5,16/9和1,8/9,16/25,32/81。

虽然内、外推进器的碰撞不可能是完全的弹性碰撞，但可以看出，采取这样内、外推进器的结构可使内层的速度增加，在两层之间充入气体或参加塑料，也是为了使碰撞过程得以光滑的进行。

研究说明，如果靶丸的聚爆是不对称的，那将严重影响内层速度倍增和能量转移效率，而且还有其它更严重的危害。;〔3〕燃料层

可以是D-T气体，也可以是冷却在推进层内壁上的D-T混合物。当推进层受热爆炸喷射时，D-T燃料被高度压缩和加热，发生聚变燃烧。

靶丸的最里层是空心的。研究认为，使用空心靶比用实心靶能使燃料得到更大的压缩。;2、燃料的装载和ρR值

在设计中，人们希望燃料的燃烧率到达30%~50%，比能量产额达340MJ/mg，因此一个靶丸应能产生100MJ的能量产额〔这是堆用要求的指标〕，那么靶丸中大概需要有1mg的D—T装料。

要想得到较高的燃烧率，燃料应到达较高的ρR值和靶丸应具有其他较好的特性。ρR值越大，燃料燃烧就越充分。

进行有效的热核燃烧，燃料的ρR值应在0.3~3g/cm2之间，较大的ρR值意味着要对靶丸进行高度的压缩。;3、中心火花塞〔点火器〕

靶丸中的燃料并不是一下子全部聚变燃烧起来，因冲击波在靶丸中心会聚，首先使中心的“火花塞”的密度ρR值达0.3~3g/cm2以上、温度到达5keV以上的聚变条件，率先点火燃烧。

火花塞的质量仅占燃料的一小局部〔10%〕，率先点燃的优越性在于能降低对驱动器能量和点火温度的要求。

其作用就像一个点火器，点燃后，其聚变产物在周围燃料中的能量沉积，进一步将四周的燃料点燃，形成一个由内向外传播的球形热核燃烧波。;4、驱动器脉冲形状和冲击波序列

为了对燃料进行等熵的、高密度的压缩，需要一系列强度逐渐增大的冲击波，并且还要对它们在时间上进行适当的调制，以便它们在到达最大压缩的时刻能同时到达靶丸中心。

一般来说，驱动器脉冲波形在开始时刻要低功率，脉冲的尾部要求高功率