慣性約束

慣性約束聚變 ^[1]  （inertial confinement fusion）是利用粒子的慣性作用來約束粒子本身，從而實現核聚變反應的一種方法。其基本思想是：利用驅動器提供的能量使靶丸中的核聚變燃料（氘、氚）形成等離子體，在這些等離子體粒子由於自身慣性作用還來不及向四周飛散的極短時間內，通過向心爆聚被壓縮到高温、高密度狀態，從而發生核聚變反應。由於這種核聚變是依靠等離子體粒子自身的慣性約束作用而實現的，因而稱為慣性約束聚變。

利用激光或離子束作驅動源,脈衝式地提供高強度能量，均勻地作用於裝填氘氚(DT)燃料的微型球狀靶丸外殼表面,，形成高温高壓等離子體,，利用反衝壓力，使靶外殼極快地向心運動,壓縮氘氚主燃料層到每立方厘米的幾百克質量的極高密度, 並使局部氘氚區域形成高温高密度熱斑, 達到點火條件，驅動脈衝寬度為納秒級，在高温高密度熱核燃料來不及飛散之前, 進行充分熱核燃燒，放出大量聚變能. 採用激光產生的慣性約束聚變稱為激光聚變，利用激光產生驅動慣性約束聚變內爆需要的能流和壓強可採用兩種途徑。在直接驅動中，多束激光束直接均勻輻照含有熱核燃料的聚變靶丸，激光能量被靶丸外層低密度的冕區中的電子吸收，電子熱傳導將能量輸運到靶殼的高密度區，驅動燒蝕併產生內爆。在間接驅動中，激光能量被圍繞靶丸的黑腔壁物質吸收並部分轉換成 X 光能量， 並被約束在黑腔內, 然後 X 光被燃料的靶丸吸收，產生燒蝕壓力, 驅動內爆。

國內自 2000 年以來的激光慣性聚變(inertial confmement fusion, ICF)實驗研究進展, 主要內容為神光Ⅱ激光裝置上的實驗, 也對剛建成不久的神光 III 原型裝置上的實驗作簡要介紹. 在神光Ⅱ激光裝置上開展了多項的物理實驗研究, 進行了系列綜合和分解實驗, 獲得的主要實驗技術指標為: 黑腔峯值輻射温度超過二百萬度; 輻射驅動 DT 聚變中子產額達 108和輻射驅動壓縮 DD 燃料密度超過 10 倍液氘密度; 輻射不透明的樣品温度接近 100 eV. 在神光 II 裝置上得到這些結果表明國內在慣性約束聚變研究方面取得了顯著的進步. 隨着神光 III 原型裝置建造的完成, 2007 年在該裝置上進行了首輪物理實驗, 開展了黑腔物理和輻射內爆物理實驗, 首輪實驗的成功説明神光Ⅲ原型裝置已具備實驗能力 ^[2]  。

將氘氚燃料壓縮至超高密度所需要的巨大壓力能夠由激光或帶電粒子束（或由它們轉換成的軟X射線輻射）驅動的球形爆聚而產生。下面以激光直接驅動球形靶丸為例簡單描述典型的高密度爆聚的物理過程。

用多束激光球對稱輻照聚變靶丸時，束能主要是在臨界密度面（該處的等離子體頻率與入射的激光頻率相等）附近被吸收並加熱電子，在靶丸周圍形成稀薄的高温等離子體冕區。沉積在冕區的熱能，由電子的熱傳導而向內傳送到尚未加熱的靶丸表面（又稱消融面），引起靶面物質的迅速消融並向外猛烈噴射。在噴射物質的反衝力（又稱消融壓力）作用下，產生向內傳播的球形聚心衝擊波，因而壓縮未被消融掉的剩餘靶丸物質（即氘氚燃料）。

在消融爆聚過程中，超高壓縮必需的巨大壓力主要靠傳熱與聚心增壓兩種手段實現。這就要求通過束能的有效吸收與沉積能量向消融面的輸運能產生足夠高的消融壓力，而且在聚心壓縮過程中還應嚴格保持高度的球對稱性。爆聚的對稱性導致下列苛刻要求：靶丸受照射的均勻性；靶丸殼層面很高的光潔度及有效防止流體力學不穩定性（主要是瑞利－泰勒不穩定性）發展等。另外，任何形式的燃料預加熱也嚴重妨害達到預期的高壓縮。

束能的吸收與吸收能量向靶內部的輸運是最重要的問題。有關激光－等離子體相互作用已經作了大量研究工作，但由於現象的複雜性，仍有很多問題尚待解決。而對粒子束－等離子體相互作用的研究還剛開始。

激光束是在靶外圍的較稀薄的冕區等離子體中傳播、吸收或反射的。吸收是通過經典的逆軔致輻射（又稱碰撞吸收）與激發等離子體波（又稱反常吸收，包括共振吸收、衰變不穩定性與離子聲湍流等）的過程而實現的。束能主要耦合給電子；隨後，經過電子－離子的碰撞再加熱離子。激發等離子體波的反常吸收會產生能量高達10—100KeV量級的超熱電子，這些有較長射程的超熱電子對靶心的預加熱是實現高壓縮爆聚的嚴重障礙。

與上述吸收過程相競爭的，還可能存在幾種由高強度激光所激發的等離子體不穩定性。

不穩定性會產生非常高能（50—100KeV）的電子；布里淵不穩定性則引起入射激光的反射損失；而細絲不穩定性會加劇入射激光束在強度分佈上的空間不均勻性以致形成局部光強異常高的細絲通道。尋求能抑制上述等離子體不穩定性的方法已成為相互作用研究的重要內容。

在臨界密度附近，等離子體密度輪廓變陡是高強度激光與等離子體相互作用中的另一非線性效應。這種變陡主要是由光波和等離子體波所產生的有質動力引起的，它反過來又會對冕區等離子體中的各種物理過程產生重要影響。另外，在冕區等離子體中，還觀察到自生磁場，最高可達幾兆高斯。這種自生磁場雖不可能直接影響等離子體的流體力學行為，卻有可能對電子熱傳導等過程產生重要的作用。

在波長效應方面，已證明短波長激光能有較理想的束－靶耦合。通過束－靶耦合而沉積在冕區等離子體中的熱能，通過電子熱傳導而傳輸到密度更高處的消融面；爆聚的效果強烈依賴能量輸運的速率。實驗與計算機模擬已證實，確實存在着橫向與縱向電子熱傳導被反常抑制的現象，電子熱導率有可能不到經典值的二十分之一，自生磁場與等離子體不穩定性也許是這種抑制的起因。不過，激光等離子體中的能量輸運仍是瞭解甚少的重要課題。

靶的結構決定了束－靶耦合與爆聚物理的特徵，無疑是慣性約束聚變的核心部分。靶的設計要用一維或二維流體力學編碼進行大容量的計算機模擬才能完成，美國利弗莫爾國家實驗室所編制的稱為“LASNEX”的二維多羣能量輸運磁流體力學程序是最著名的靶設計編碼。由於在表面光潔度、同心度、材料成分及殼層結構等方面的苛刻要求，慣性約束靶的製造與質量檢測是一項涉及到高精密工藝技術的艱難課題。

在慣性約束聚變中，有兩類基本的靶設計模式：

① 直接驅動靶，靶的外殼層在吸收了入射的激光或帶電粒子束能量後，將直接驅動爆聚；

②X射線驅動靶，靶在吸收了入射的激光或帶電粒子束能量後，首先是將其轉換成軟X射線輻射；然後，再利用內含在靶腔體中的輻射，對稱地驅動置於腔體內的燃料球丸爆聚。因而，這類靶也稱為非直接驅動靶。

在X射線驅動靶中，即使是利用較少路數的激光或帶電粒子束的非對稱輻照，也易獲得高度球對稱的爆聚。正是利用這類靶設計，實現了前述的100倍液態密度的高密度壓縮。在實驗上，還廣泛進行了激光轉換成X射線輻射的基礎研究，已證實利用短波長激光可以獲得相當高（如50%以上）的能量轉換效率。由於這種靶的結構和核武器有更密切聯繫，所以X射線驅動靶的具體設計仍處在保密的階段。

應用並發展各種具有高分辨（時間、空間與能譜等）能力的等離子體診斷技術也是慣性約束聚變研究中重要的組成部分。束－靶耦合及爆聚－燃燒都是發生在極短時間、極小空間中的物理現象，而且會產生超高密度的高温等離子體。這些特性要求慣性約束聚變的診斷應有相當寬且苛刻的參量測量範圍，對主要物理量（等離子體密度n、温度T、電磁輻射的光子能量hv、粒子能量E及時間、空間尺度t、x）的診斷要求。這裏的關鍵是皮（10－12）秒量級的時間分辨率、微米量級的空間分辨率以及經壓縮得到的極高粒子數密度的測量。

慣性約束靶的診斷主要是根據它所發射的包括了從紅外、可見、紫外、直到X射線區域的整個波段的電磁輻射（特別是極為豐富的X射線輻射）以及高能粒子（如快電子、快離子與聚變反應產物等）的特性而進行的；另外，利用具有貫穿進高密度等離子體能力的短波長（可見或紫外）激光束或輔助X射線束（以另外佈局的輔助靶上產生的高温等離子體為發射源）作探測束也提供了主動型的診斷手段。

慣性約束聚變實驗的目的是為了確定靶在爆聚全過程中的時間與空間行為，尤其是在密度與温度上有很大變化的不同的區域（如靶外圍的冕區、消融區及中心爆聚區等）中發生的能量轉移和變換過程。因而，研製並發展各種專門的分屬光學、X射線及粒子等方面的診斷方法或儀器（見超高密度高温等離子體診斷）就是十分必要的。

慣性約束聚變實驗診斷的另一特點是要求在單次打靶中能使用大量診斷儀器以儘可能取得較完備的測量數據。顯然，為了及時、準確地記錄並處理測量結果，也需要配備專門的數據自動採集及計算機實時處理系統。