惯性约束核聚变快点火请问快点火是什么含义?

惯性约束核聚变快点火请问快点火是什么含义?
惯性约束核聚变快点火
请问快点火是什么含义?

惯性约束核聚变快点火请问快点火是什么含义?
针对以上“中心热斑”方案遇到的巨大困难,近年来,随着超短脉冲激光啁啾放大技术的重大突破,有人提出了“快点火”的技术方案〔7〕,即在聚变燃料被均匀压缩到最大密度时,将一束超短脉冲强激光(10-11s)聚焦在靶丸表面(光强＞1020Wcm-2),极高的有质动力在靶丸表面的等离子体的临界密度面上“打洞”,并将临界密度面压向靶芯的高密核.此时,在这个过程中产生的大量的MeV能量的超热电子穿透临界密度面射入高密核使离子温度迅速升温至点火所要求的5—10keV的高温并实现快速点火.图8为传统惯性约束“中心热斑”聚变与“快点火”聚变的示意图.可以这样形象地比较这两个过程：传统的中心热斑激光核聚变过程与柴油机的点火过程类似,在压缩到一定密度时,柴油会自动燃烧；而“快点火”激光核聚变过程则与汽油机的点火过程类似,当燃料被压缩到最高密度时,用电火花将其点燃.在“快点火”激光核聚变过程中,超热电子所起的作用就是电火花在汽油机中所起的作用.
图8　“快点火”激光核聚变原理示意图
(a)传统的中心热斑激光核聚变与柴油机的点火过程类似； (b)“快点火”激光核聚变与汽油机的点火过程类似“快点火”激光核聚变的概念涉及许多与高强度、超短脉冲有关的强场物理相互作用过程〔8〕.其中包括超短脉冲强激光与高密度等离子体的相互作用、高强度的超热电子流在高密等离子体中的产生和传输、在临界密度面附近的谐波产生、超强磁场的产生和所起的作用、与有质动力有关的效应、相对论自聚焦和成丝、超短脉冲强激光束的“打洞”和“隧道”效应等. 　　“快点火”方案的几个主要的物理过程如图9所示.首先用纳秒级长脉冲激光束对充满氘、氚气体的空心靶丸进行高度对称的压缩,压缩后的靶丸中心的氘、氚气体的密度将达到其固体密度的1000倍以上(＞300gcm-3)；第二步,用一束脉冲宽度约为100ps、聚焦光强为1018Wcm-2的激光辐照压缩后的高密靶丸,这束聚焦的激光会将靶丸的临界密度面进一步压向中心,在高密靶丸上打出一个“洞”来.紧接着,用一束脉宽为10ps左右、聚焦光强为1020Wcm-2的激光对靶芯部分进行快速点火：点火的激光束与靶芯的大密度梯度的高密等离子体相互作用,产生大量能量为MeV量级的超热电子〔9〕,超热电子流穿入高度压缩的靶丸并淀积在靶芯处的燃料中,靶芯附近燃料的局部温度迅速上升到点火温度,从而实现靶丸的“快点火”.
图9　快点火激光核聚变的几个主要物理过程的示意图
(a)高压缩比爆炸；(b)“打洞”激光束；©点火激光束；(d)“快点火”过程中的能量转换 实际上,正如图8(b)所示,“快点火”方案中的第二步中所用的100ps的激光脉冲与第三步中用的10ps激光脉冲在实际的实验中是一个整形后的激光脉冲.这个激光脉冲由一个100ps的前沿和一个10ps的尖峰组成.使用这种整形后的激光脉冲可以大幅度地降低实验难度. 　　由于“快点火”惯性约束聚变将压缩和点火这两个过程分开进行,因此可以大幅度降低对爆炸对称性和驱动能量的要求.在“快点火”方案中,初始压缩期仅要求达到高密度,并不要求高温度,所以对长脉冲压缩激光的“光滑化”要求大幅度地降低了.超短脉冲强激光与压缩后的高密等离子体相互作用,可以使激光能量高效地转换给MeV量级的超热电子,并进而高效地加热靶芯,实现点火,所以可以大幅度地降低对驱动能量的要求.目前的理论计算表明,“快点火”方案仅需要10万焦耳的激光能量就可以实现高增益的核聚变,比传统的中心点火方案对激光能量的需求低10倍. 　　当然,“快点火”方案目前还有许多物理问题和技术问题有待探讨和解决.由于“快点火”发生在对靶丸进行高度压缩达到很高密度的后期,对实际的激光装置有很高的要求.因此,在目前阶段,暂时还不具备进行“快点火”方案可行性判断的总体实验的条件.在这种情况下,如何对“快点火”方案进行合理的分解实验,对其中的许多物理过程和技术问题分别进行研究,以达到对这一方案的可行性进行判断的目的,是目前国际激光等离子体研究领域的重要目标.目前,“快点火”方案的分解实验主要有以下物理问题组成：(1)长脉冲激光对靶丸的对称压缩问题.在这个方面,由于有激光核聚变多年的研究基础,已经积累相当丰富的研究经验.一般认为,将靶丸压缩到“快点火”方案的第一阶段所要求的密度是目前的激光技术和制靶技术可以达到的.(2)超短脉冲强激光在高密等离子体中的吸收问题.这个貌似简单的问题其实包含着极其复杂的物理过程,对于不同强度、不同脉冲宽度的激光在不同密度等离子体中的吸收过程完全不同.庆幸的是,这个问题已经引起了广泛的注意和兴趣,国际上已有上百篇实验和理论的论文对此进行了广泛的研究.(3)“快点火”方案中超热电子的产生问题.这个问题在一定程度上与第二个问题有关联,但还包括另外的许多内容,诸如等离子体的密度、温度梯度对超热电子产额及能谱分布的影响、等离子体界面的真空加热、强场激光等离子体对电子的加速等.(4)“快点火”方案中超热电子在等离子体中传输问题.这个问题非常复杂,是目前国际上激光等离子体物理研究的一个热点问题.(5)超快激光等离子体中超强磁场的产生及其所起的作用的问题.超短脉冲强激光与等离子体相互作用会产生极高强度的磁场,由于这个超强磁场对激光能量的吸收、超热电子的产生和传输都有极大的影响,已经引起了注意,但目前对这个问题的了解还很不够.(6)“快点火”方案中的“打洞”问题.这是“快点火”方案中至关重要并倍受关注的一个问题.(7)“快点火”方案中超热电子在高密等离子体中的能量沉积问题.这个问题是决定“快点火”方案成败的关键问题之一.在这个方案中,携带MeV能量的超热电子对靶芯高密核所起的“引爆”作用与α粒子（阿尔法离子就是氦核,即氦的原子核,所以带正电,两个质子两个中子.β粒子就是电子,因为β射线就是电子流） 在氢弹爆炸时所起的作用相同.但由于电子与α粒子的根本区别,带来了超热电子在高密等离子体中能量沉积时特有的物理问题.(8)“快点火”方案中的核反应问题.目前,美国利弗莫尔国家实验室、英国卢瑟福实验室和日本大阪大学等单位正在加紧进行后5个分解实验,以求能尽快对这一方案从实验上进行可行性论证,并希望能对NIF的建造规划起到一定的指导作用利用光学诊断的方法,超短脉冲激光在等离子体上的打洞现象已被实验所证实〔10〕.对于超短脉冲激光与固体靶相互作用产生的超热电子在高密等离子体中的加速和输运过程的研究,也取得了长足的进展〔11〕我国的激光核聚变高技术发展计划也对“快点火”方案给予了很高的重视,有关研究项目已经启动.
5　结束语