慣性約束核聚變

慣性約束核聚變(Inertial Confinement Fusion，簡稱ICF，研究的目標是在21世紀實現乾淨的聚變能源和軍事應用，在實現高增益聚變反應堆之前，在中期應用上，也可以利用實驗室微聚變設施進行國防和科學方面的重要研究 ^[2]  。

ICF是不同於磁約束的另一種可控熱核聚變，它的基本思想是:利用激光或離子束作驅動源，脈衝式地提供高強度能量，均勻地作用於裝填氖氖(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，使靶的外殼極快地向心運動，壓縮氖氖主燃料層到每立方厘米的幾百克質量的極高密度，並使局部氖氖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。

能源是社會和經濟發展的基礎。開發新能源是本世紀世界範圍內的重大課題。我國是一個能源相對匾乏的發展中國家，新能源的開發尤為迫切。863能源項目就有快堆、高温氣冷堆、混合堆，燃煤磁流體發電等，中央領導對能源技術的研究與發展十分關心，多次親臨現場檢查工作，聽取彙報，幫助解決一些困難和問題，極大地鼓舞了科技人員的積極性與創造性 ^[3]  。

隨着科學技術和社會生產力的不斷髮展，能源的位置顯得越來越重要，人類也在不斷地擴大能源的利用範圍。遠古時代，人類只能利用人畜的肌肉力量作為動力，用鑽木取火的方法產生熱量。後來，除了利用風力、水力等自然動力外，還開發了煤、石油、天然氣等化石燃料。20世紀50年代初期，人類進入了利用原子核能的新時代，電站顯示了巨大的威力，只要燃燒極少的燃料就可獲得巨大的能量，一座50萬千瓦的火電站，每年耗煤150萬噸，而規模相當的核電站每年只需0.6噸核燃料。核能在總能源結構中佔的比重越來越大，今後還會有較大的發展。但是，這種核電站是以原子核的裂變反應(重核裂變為輕核)為基礎的，產生的放射性廢物處理比較困難，而且主要核燃料鈾的儲量相對其他元素來説並不豐富，開採和提煉又十分困難。因此，只有原子核的聚變能才是人類未來最理想的新能源。首先，它的物理基礎是輕原子核發生聚變核反應(由輕核聚在一起變成重核並放出能量)，主要原料來源於海水，可謂取之不盡，用之不竭。其次，反應後無污染，沒有裂變，沒有三廢，不需要後處理。它具有許多其他能源無可比擬的優點。

慣性約束對我們來説並不陌生。在地球上首先從熱核聚變獲得能量的就是慣性約束法—這就是大名鼎鼎的氫彈。氫彈是靠原子彈引爆的，原子彈起爆要有一個臨界值，不可能作得很小，它在瞬時釋放巨大的能量，因此它是不可控的核反應 ^[4]  。

但如果我們不用原子彈，而用別的高功率物質(如激光、電子束、離子束)來點燃很少量(例如10^-6克)的熱核燃料—氖氖燃料靶丸，使它在慣性約束的情況下達到點火條件，這時放出的聚變能就在我們能加以利用的水平之內。

在慣性約束聚變中，點火條件要求高温、高密度和一定的尺度，採用激光驅動也需要增壓手段，其大致過程是:激光首先從四面八方均勻加熱球形靶丸表面，在靶表面形成一層高温稀薄等離子體，然後激光通過這層稀薄等離子體時，以逆韌致和某些等離子體的反常吸收過程被吸收。被吸收的激光能量迅速加熱電子，温度可達到3 -5千萬度。高温電子通過電子熱傳導，又將大部分能量輸運到臨近吸收區的燒蝕層密度高的區域，形成一個高温燒蝕陣面(温度急劇變化的一個空間界面)，並在此產生高的燒蝕壓，這是一個增壓過程。它將激光壓力提高近千倍。燒蝕壓驅動燒蝕陣面附近的物質，一方面將一部分高温高密度等離子體物質向外朝低密度的等離子體區噴射，另一方面由於作用與反作用的關係，將剩餘的冷物質壓縮並向中心加速運動，產生聚心衝擊波，壓縮氖氖燃料，這就是慣性約束的含義。這個過程就稱為“內爆”，通過球形內爆和內爆過程的聚心效應，使氖氖燃料的壓力再增加幾萬倍，達到點火時要求達到的燃料壓力。

近年來又提出激光聚變點火的一種新方式—“快點火”。它的特點是將氖氖燃料靶丸的壓縮和點火分開進行:第一步，由通常的多束激光對稱輻照靶丸獲得高密度，而後由單束超強激光加熱芯部實現點火。和傳統的“熱斑點火”比較，快點火在壓縮方面具有很多優越性:大量節省驅動能量，降低了對驅動均勻性的要求，並且可以達到更高的能量增益。

50年的核聚變研究經歷了馬鞍型的發展過程。50年代初，主要是美、蘇、英3國各自開始了規模較大的受控磁約束核聚變的研究，一是為能源，二是為軍事目的。經過一段模底，確認受控磁約束核聚變難度很大，不可能在短期內實現“點火”，也不具有原先想象中的巨大軍事意義之後，在1958年第二次和平利用原子能會議上，受控核聚變研究解密了，60年代末，託卡馬克裝置獲得重要進展，從此世界範圍內再次出現了新的高潮，90年代，取得很大進展 ^[4]  。

產生熱核反應的條件是讓氖氖核彼此靠得足夠近。這樣要克服兩個核之間的靜電斥力，如果速度不夠快就衝不上去。當然，根據量子力學的“隧道效應”，原子核即使爬不到勢壘山頂也有一定的可能性穿越勢壘而發生聚變反應，等離子體温度必須足夠高，對於氖氖核間的聚變反應，温度在5千萬度至1億度。這是多麼苛刻的條件!而太陽表面才只有6000度，要想從中提取能量還必須充分地約束，達到高密度並具有一定的約束時間，要求反應核的密度與約束時間乘積大於一定的數值，現在世界各國均未能達到，這是困難之一。其二，點火之後尚需使輸出的能量超過輸入的能量，獲得淨聚變能，如果用來驅動的激光能量遠大於核聚變釋放的能量，這還不能算實現了具有能量增益的聚變反應，這是困難之二。

我國ICF進展如何?自1964年我國科學家王淦昌先生在國際上獨立提出激光驅動聚變的建議之後，中、美、日、法、英、俄等國開始進行激光驅動ICF的研究，30多年來，ICF研究已在世界範圍內取得了重要進展，有望在近10年內實現點火。我國相繼建立了神光工和神光II系列激光裝置，進行了ICF靶物理的研究，1993年我國ICF研究進入863計劃，形成千人會戰的局面。陶祖聰研究員和賀賢士院士等著名科學家多年來孜孜不倦地努力，衝破了發達國家對我國資料的封鎖，發揚兩彈精神，克服重重困難，多方合作，在驅動器(高功率、高能量激光器)、靶物理理論和實驗、精密診斷設備以及靶的製造5個方面協調研究，取得了重要進展。慣性約束核聚變的研究是一門綜合性強、技術要求高、難度大的尖端科學技術，需要紮實的基礎研究做後盾，要經過幾代人不懈的努力。正如王淦昌先生生前所説:“希望更多的熱愛祖國的年輕人投入到這個為全人類造福的宏偉事業中來，我自己可能看不到可控核聚變的實現了，現在的年輕人一定能夠看到，一定會在這方面做出驚人的成績。”

資料顯示，到不了本世紀中葉，地球上的石油、煤、天燃氣等資源將會枯竭。由於人類向大自然索取過多，我們賴以生存的這個星球的土壤、森林、港灣和海洋遭受侵蝕的速度明顯加快，從而降低了地球的承載能力，改變了地球的大氣品質。在地球環境日趨惡劣的情況下，慣性約束核聚變的最終突破，將還人類一個乾淨、高效的生存空間 ^[4]  。

ICF研究進展是健康的，沒有發現物理上和技術上的重大障礙。但要充分重視深化靶物理的研究，充分掌握各個主要環節的物理規律，如激光與等離子體的非線性相互作用，流體力學不穩定性等。在此基礎上實現點火和高增益目標，科學可行性證明之後，下一步是工程可行性的論證，主要是研製能用於慣性核聚變能源的驅動器，建成核聚變發電站。一座100萬千瓦的聚變電站，每年使用的氖和銼(氖的原料)只有0. 6噸，用一輛小型卡車就可完成運輸，這樣一個電站的燃料價格每年小於100萬美元，而聚變產物是中子和無毒無害的氣體氦，在釋放氦氣時，自然泄漏到地球的大氣層中。在聚變堆中，中子與銼反應造氖，它又可作為新靶的燃料。

能源問題的最終解決，將給人們的生活帶來徹底的改變，試想用電瓶車代替燃油車，不僅省了能源而且根除了空氣污染。由於電力充足，可以抽水植樹種草，根治沙塵暴，改善生態環境。由於環境的改變，人們的思想觀念，包括就業觀念、消費觀念、審美觀念和時間觀念等，也將隨着生活質量的提高發生顯著的變化。