基本介紹
- 中文名：雷射核聚變
- 外文名：laser nuclear fusion
- 特徵：以高功率雷射作為驅動器的核聚變
- 套用：核武器
- 領域：核能、核物理
- 學科：核物理
原理,方法,套用,研究目的,軍事意義,技術的發展,
原理
雷射核聚變中的靶丸是球對稱的。球的中心區域（半徑約為3毫米）充有低密度（≤1克/厘米3）的氘、氚氣體。球殼由燒蝕層和燃料層組成：燒蝕層的厚度為200—300微米，材料是二氧化矽等低Z（原子序數）材料；燃料層的厚度約300微米，材料是液態氘、氚，其質量約5毫克。有的靶丸的中心區域是真空，球殼由含有氘、氚元素的塑膠組成。有的靶丸則用固體氘、氚燃料，球殼由玻璃組成。
當雷射對稱照射在靶丸表面上時，燒蝕層表面材料便蒸發和電離，在靶丸周圍形成電漿。雷射束的部分能量在臨界密度層處（該處的電漿頻率與入射的雷射頻率相等）被反射掉，另一部分能量則被電漿吸收並加熱電漿。電漿的熱量通過熱傳導穿過臨界密度層向燒蝕層內傳遞，燒蝕層材料蒸發並向四周飛散產生反作用力（類似火箭推進原理），將靶丸球殼向靶心壓縮（爆聚）產生傳播的球形激波，使靶丸內氘、氚燃料的密度和溫度增加，這種效應稱為向心爆聚。如果雷射脈衝的波形選得合適，則向心傳播的球形激波可會聚到靶丸球心區域，使球心區域一部分氘、氚燃料優先加熱，形成熱斑。當熱斑中的溫度高到足以產生聚變反應時，則釋放出的聚變能量就可驅動通過靶丸徑向向外傳播的超聲熱核爆炸波，並在靶丸物質移動之前就能將燃料層的聚變燃料加熱並產生聚變反應，最後將燒蝕層毀掉。因此，雷射束的能量僅用於產生向心爆聚和加熱靶心的熱斑燃料上，不需將整個靶丸均勻加熱到熱核聚變溫度，從而降低了對雷射器功率的要求。
當雷射對稱照射在靶丸表面上時，燒蝕層表面材料便蒸發和電離，在靶丸周圍形成電漿。雷射束的部分能量在臨界密度層處（該處的電漿頻率與入射的雷射頻率相等）被反射掉，另一部分能量則被電漿吸收並加熱電漿。電漿的熱量通過熱傳導穿過臨界密度層向燒蝕層內傳遞，燒蝕層材料蒸發並向四周飛散產生反作用力（類似火箭推進原理），將靶丸球殼向靶心壓縮（爆聚）產生傳播的球形激波，使靶丸內氘、氚燃料的密度和溫度增加，這種效應稱為向心爆聚。如果雷射脈衝的波形選得合適，則向心傳播的球形激波可會聚到靶丸球心區域，使球心區域一部分氘、氚燃料優先加熱，形成熱斑。當熱斑中的溫度高到足以產生聚變反應時，則釋放出的聚變能量就可驅動通過靶丸徑向向外傳播的超聲熱核爆炸波，並在靶丸物質移動之前就能將燃料層的聚變燃料加熱並產生聚變反應，最後將燒蝕層毀掉。因此，雷射束的能量僅用於產生向心爆聚和加熱靶心的熱斑燃料上，不需將整個靶丸均勻加熱到熱核聚變溫度，從而降低了對雷射器功率的要求。
方法
實現雷射核聚變有直接驅動法和間接驅動法兩種：①直接驅動法是將雷射束直接照射在靶丸表面上，驅動器大多是釹玻璃雷射器。優點是雷射束的能量利用效率高，運行可靠，且可進行時空控制。缺點是必須要求雷射束均勻照射在靶丸表面上，否則會造成向心爆聚的不對稱，還可能在燒蝕層電漿中產生不穩定性，使靶殼破壞 ，造成靶殼和核聚變燃料相互混合而降低壓縮（爆聚）效果。此外雷射功率的耦合效率（5%—10%）和重複發射脈衝的頻率（每秒輸出1—10個雷射脈衝）都不夠高。研究中的新型雷射驅動器有KrF準分子雷射器及用雷射二極體泵浦的固體雷射器等。KrF準分子雷射器的優點是：波長較短，雷射吸收效率高，波形整形能力強，輸出脈衝幅度可變動範圍大等。但還存在諸多技術問題，如雷射器的效率、脈衝的重複頻率、光學傳輸的複雜性、雷射器的可靠性與耐用性及高成本等。雷射泵浦的固體雷射器的優點是重複頻率高、效率高，通過變頻可使波長變短，獲得高功率輸出，運行可靠等。存在的問題是雷射二極體造價高，並需要找到長壽命螢光的雷射材料。②間接驅動法是將含有聚變燃料的靶丸懸在一個用高Z材料（如金）做成的小腔內，雷射束通過腔壁上的小孔照射在腔的內壁上（不是直接照射在靶丸上）。腔壁表面物質吸收雷射束的能量溫度升高，產生軟X射線。在薄壁層熱材料內，輻射和材料之間幾乎是熱平衡的，因而形成軟X射線的輻射場。輻射熱波向冷壁傳輸，高Z冷壁被加熱並發射軟X射線，成為軟X射線的再發射區。軟X射線均勻地照射在腔內靶丸上將其燒蝕，經過向心爆聚等過程產生熱核聚變反應。間接法的優點是對雷射束光斑的均勻性要求不高，且軟X射線能均勻輻照在靶丸表面上，實現對稱爆聚。缺點是雷射通過時電漿會驅動參量不穩定性，而且雷射束能量的利用效率不及直接驅動法高。
套用
研究目的
各國對雷射核聚變研究的興趣並不完全在於獲取聚變功率，而是出自軍事目的。雷射核聚變可用於熱核爆炸模擬中的核武器物理的模擬和核爆炸輻射效應的模擬。雷射束以很高的功率密度將大量能量集中在靶丸上，能產生與熱核爆炸時相應的高溫、高壓條件，因此利用雷射驅動的靶丸爆聚可用於研究核爆炸動力學、爆炸穩定性以及其他物理規律，為核武器的設計和驗證數值計算提供有價值的數據。核武器爆炸時會發射大量的X射線、γ射線、中子等，這些輻射造成的破壞效應及其同物質的相互作用，對核武器研究是十分重要的。現在核爆炸輻射效應的研究主要通過地下核試驗進行，但試驗受到《全面禁止核武器試驗條約》的約束。雷射核聚變能夠產生與核爆炸相應的輻射環境，可當成熱核爆炸的小型輻射場，在一定程度上可用來替代地下核試驗。雷射核聚變的靶丸相當於一枚微型炸彈。靶丸的設計，特別是新的設計思想對核武器的設計也有很大的參考價值。雷射核聚變電漿會產生新的不穩定性模式和強耦合作用，這對電漿物理的研究極為重要。
軍事意義
雷射核聚變在軍事上的重要用途之一是發展新型核武器，特別是研製新型氫彈。因為通過高能雷射代替核子彈作為氫彈點火裝置實現核聚變反應，可以產生與氫彈爆炸同樣的電漿條件，為核武器設計提供物理學數據、檢驗計算程式，進而研製新型核武器。
採用雷射作為點火源後，高能雷射直接促使氘氚發生熱核聚變反應。氫彈爆炸後就不會產生放射性裂變產物，利用雷射核聚變方法的氫彈稱為“乾淨的氫彈”。傳統的氫彈屬於第二代核武器，而“乾淨的氫彈”則屬於第四代核武器。由於不產生剩餘核輻射，可以作為“常規武器”使用。
雷射核聚變技術上的成熟，製造“乾淨氫彈”的成本大為降低。因為核聚變的燃料氘幾乎取之不盡，而且使熱核聚變反應更加容易。通過雷射核聚變，可以在實驗室內模擬核武器爆炸的物理過程及爆炸效應，為研究核武器物理提供依據，可以在不進行核試驗的條件下，擁有安全可靠的核武器，改造現有核彈頭，並保持核武器的研究和發展能力。雷射核聚變可多次重複、便於測試、節省費用等。
技術的發展
對於模擬核試驗技術，美國居世界領先地位。美國擁有世界上最大的“諾瓦”雷射器、世界上功率最大的X射線模擬器。1998年，美國能源部就開始在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室啟動“國家點火裝置工程”。這項軍民兩用的高能雷射核聚變研究工程計畫於2003年投入運行。其中的20台雷射發生器是研究工作的大型關鍵設備。法國雷射核聚變研究以軍事化為主要目標。為確保法國TN－75和TN－81核彈頭能始終處於良好狀態，1996年，法國原子能委員會就與美國合作實施一項龐大的模擬計畫—— “兆焦雷射計畫”，即高能雷射計畫。其主要設施是240台雷射發生器，可在20納秒內產生1.8兆焦能量以及240束雷射，集中射向一個含有少量氘、氚的直徑為毫米級的目標，從而實現雷射核聚變。
20世紀70年代，日本就投入了大量財力、人力和物力進行雷射核聚變研究。1998年，日本研製成功了核聚變反應堆上部螺旋線圈裝置（LHD）和高15米的複雜真空頭，已突破建造大型核聚變反應堆的技術難點。
