慣性約束聚變
正文
又稱靶丸聚變,為實現受控核聚變的一種途徑。它是利用高功率的脈衝能束均勻照射微球靶丸，由靶面物質的消融噴離產生的反衝力使靶內氘氚燃料快速地爆聚至超高密度(塼103倍氘氚的液態密度)和熱核溫度(塼10keV)，從而點燃的高效率釋放聚變能的微型熱核爆炸。在慣性約束聚變中，約束由聚變物質的慣性所提供，聚變反應必須在電漿以高速（約108cm／s）從反應區飛散前的短暫時間 (約10-10～10-11s)內完成。所以是一種以短脈衝方式運行的受控核聚變。
通常是採用聚焦的強雷射束或高能的帶電粒子（電子、輕離子或重離子）束，作為加熱與壓縮燃料靶丸的驅動器。所以，又可以將慣性約束聚變分為雷射聚變和粒子束（電子、輕離子或重離子束）聚變。
慣性約束聚變研究的長遠目標是建成聚變電站，探索受控熱核新能源；因其能夠產生與核武器中心相近的高能量密度狀態，所以又有著較近期的軍事上的套用目標，這是指在實驗室中研究核武器物理並模擬核爆炸效應；另外，慣性約束聚變形成的高壓、高溫的物質狀態，也能為這些極端條件下的物性研究提供可能。
早在1952年，就已成功地將慣性約束的方式套用於氫彈的熱核爆炸；然而，利用雷射或帶電粒子束照射燃料靶丸而實現慣性約束聚變的建議，是到60年代初雷射問世後才提出的。隨後，由於調Q脈衝雷射器的出現,開始了雷射聚變的研究。在開始的前10年，還只是停留在簡單地用雷射提高物質的溫度以達到產生核聚變反應的條件;1968年,蘇聯列別捷夫研究所的Η.Γ.巴索夫等首次報導從氘化鋰平面型靶上獲得了中子。直到1972年，美國利弗莫爾國家實驗室的J.納科爾斯等公開發表了高密度爆聚的理論，重點於是轉向多束雷射輻照微球靶的高壓縮爆聚實驗；雷射聚變研究的規模也相應有了相當大的擴充。另外，在脈衝功率技術發展的基礎上，70年代後又相繼開始了相對論性電子束、輕離子束與重離子束聚變的研究。不過,與雷射聚變已達到的水平相比較,它們都還處在發展的初期。
解決慣性約束聚變的科學現實性問題是以達到科學上的得失相當（即靶增益G＝輸出的聚變能/輸入的驅動器能=1）並進一步實現高增益的聚變微爆為標誌的。而建立實用性的熱核反應堆則需要在此基礎上進一步解決下述三項關鍵性的工程技術問題：即發展高效率、高重複率與低成本的高能驅動器；製造經濟上有競爭能力的反應器（包括解決脈衝式強輻射引起的周期性疲勞與應力問題）以及建立實用的制靶工廠。
當前，慣性約束聚變仍處在研究有關的物理問題和驗證科學原理的階段。近期的目標是達到燃料的點火與科學上的得失相當。而關鍵性的點火－得失相當的實驗還有待於更大型的驅動器投入使用與更先進的靶丸研製成功。
熱核燃燒 慣性約束的時間(τ)正比於以聲速(сs)前進的稀疏波,從靶球（半徑為R）邊緣傳播至中心所耗費的時間，亦即τ=R/4сs。在慣性約束聚變中,常以質量密 度ρ與半徑的積ρR替代磁約束中的勞孫數nτ(即粒子數密度與約束時間的積)。熱核燃燒的燃耗嗞（指氘氚燃料經聚變反應而“燒掉”的比例）依賴於ρR的取值。當溫度約20keV時,近似有
；實現有效的熱核燃燒，要求
。 在球形壓縮時ρR與(mρ2)
成正比；這裡，m 是燃料質量。因而，為了達到一定的靶丸增益，對於給定的電漿溫度（如10keV）,所需燃料的質量或驅動器的能量與ρ2成反比。加熱未經壓縮的液態氘氚靶，即使為達到靶增益G=1,所需驅動器的能量也會高至109J。然而，如將氘氚壓縮至遠高於它的液態密度(ρo)，所需能量就有可能大幅度降低到技術上可以實現的程度。當然，相當高的密度壓縮倍數（如
）要求有巨大的壓力（約1012atm）。 爆聚 將氘氚燃料壓縮至超高密度所需要的巨大壓力能夠由雷射或帶電粒子束（或由它們轉換成的軟 X射線輻射）驅動的球形爆聚而產生。下面以雷射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。
用多束雷射球對稱輻照聚變靶丸時，束能主要是在臨界密度面（該處的電漿頻率與入射的雷射頻率相等）附近被吸收並加熱電子，在靶丸周圍形成稀薄的高溫電漿冕區。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。
雷射爆聚的實驗結果已分別取得了將氘氚壓縮至液態密度100倍（離子溫度約500eV，壓力約1010atm）與經氘氚熱核反應產生的中子數最高達4×1010個（離子溫度約10keV）的總體結果。
束－電漿相互作用 束能的吸收與吸收能量向靶內部的輸運是最重要的問題。有關雷射－電漿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－電漿相互作用的研究還剛開始。
雷射束是在靶外圍的較稀薄的冕區電漿中傳播、吸收或反射的；這一區域的電子數密度低於或等於某一臨界值nc，臨界密度由電漿頻率與雷射頻率相等的條件所決定，即
,nc為雷射波長（以μm為單位）。吸收是通過經典的逆軔致輻射(又稱碰撞吸收)與激發電漿波（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。激發電漿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雷射所激發的電漿不穩定性，即是 2ωp衰變不穩定性(在數密度
處);喇曼不穩定性
；布里淵不穩定性
以及細絲不穩定性。前兩種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雷射的反射損失；而細絲不穩定性會加劇入射雷射束在強度分布上的空間不均勻性以致形成局部光強異常高的細絲通道。尋求能抑制上述電漿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，電漿密度輪廓變陡是高強度雷射與電漿相互作用中的另一非線性效應。這種變陡主要是由光波和電漿波所產生的有質動力引起的，它反過來又會對冕區電漿中的各種物理過程產生重要影響。另外，在冕區電漿中，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電漿的流體力學行為，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，已證明短波長雷射能有較理想的束-靶耦合。當雷射強度處於1014～1015W/cm2量級時，對於0.53μm、0.35μm的較短波長（可經釹玻璃雷射的倍頻而產生），吸收率可高達80％～90％；因為是以逆軔致吸收為主要機制,故只產生極少量的超熱電子；另外,也不易激發布里淵不穩定性等過程。
通過束-靶耦合而沉積在冕區電漿中的熱能,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，確實存在著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，自生磁場與電漿不穩定性也許是這種抑制的起因。不過，雷射電漿中的能量輸運仍是了解甚少的重要課題。
靶 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”的二維多群能量輸運磁流體力學程式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雷射或帶電粒子束能量後，將直接驅動爆聚；
② X射線驅動靶，靶在吸收了入射的雷射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雷射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,還廣泛進行了雷射轉換成X射線輻射的基礎研究，已證實利用短波長雷射可以獲得相當高(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。
在不保密的直接驅動爆聚的研究中，已提出過多種靶設計。例如，早期的雷射壓縮實驗廣泛使用內充低密度(10-2～10-3g/cm3)氘氚氣體的薄壁(壁厚揥1μm,直徑約100μm)玻璃球殼靶。在這類所謂“爆炸-推進”型的結構較簡單的靶中，爆聚實際上是由射程與玻殼壁厚相當的超熱電子所驅動。這類靶不可能實現高密度爆聚。而能夠達到高增益、高密度爆聚的所謂消融型壓縮靶，是尺寸較大而結構遠為複雜的多層複合靶，它的製造技術和工藝十分複雜。圖(見彩圖)顯示了兩種直徑為數毫米且有可能產生高增益微爆炸的慣性約束聚變靶設計。
慣性約束聚變
慣性約束聚變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電漿能力的短波長(可見或紫外)雷射束或輔助X射線束（以另外布局的輔助靶上產生的高溫電漿為發射源）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，尤其是在密度與溫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（見超高密度高溫電漿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。
驅動器 高功率、短脈衝雷射器是最先用於聚變並有最大成就的一類驅動器。在時間與空間上的高度集中能力與可調節的性能，以及傳輸上的方便都是雷射所特有的優點。最重要的雷射系統是釹玻璃（波長1.05μm），CO2（波長10.6μm）,原子碘（波長1.315μm）與KrF（波長0.248μm）等。
迄今,絕大部分聚變實驗是利用釹玻璃雷射(1.05μm與其諧波0.53μm，0.35μm和0.26μm)與CO2雷射完成的。這兩種雷射都已有大於104J和大於1013W的輸出能力的裝置。釹玻璃雷射雖效率低（<1％）、成本高且重複率低，不能作為未來聚變堆的驅動器。然而，研究表明：較短的雷射波長(<1μm)能有較好的束-靶耦合、更低的超熱電子預加熱和更高的軟X射線轉換效率;且釹玻璃雷射的二次與三次諧波的轉換率已可超過70％。所以，釹玻璃雷射仍然是演示原理性實驗與核爆炸模擬研究的最有效的手段。CO2雷射雖效率高、成本低,但波長效應仍是根本的問題。大型雷射器已採取的先進技術，包括：像傳播空間濾波技術，低非線性折射率光學材料（如磷酸鹽玻璃），準連續主動鎖模振盪器，全電型脈衝選擇開關,大孔徑片狀放大器，大孔徑高效率頻率轉換技術，多光束同步，光路自動調整以及計算機控制運行等。單束釹玻璃雷射的可聚焦功率密度已超過1017W/cm2，美國利弗莫爾國家實驗室的稱為“NOVA”的100kJ、100TW量級的超大型多路釹玻璃倍頻雷射系統即將建成。
帶電粒子束作為慣性約束聚變的驅動源是基於脈衝功率技術的發展，有關電子束、輕離子束與重離子束聚變的計畫到70年代相繼出現。粒子束方案的優點是能量大、效率高；主要的技術問題是束的傳輸、聚焦與脈衝成形。粒子束聚變是從相對論性電子束開始的，但由於電子束在能量沉積物理和靶設計方面的複雜性，已逐漸讓位給離子束，尤其是能從電子束二極體稍加改變而獲得的輕離子束。質量大、非相對論性的離子有較理想的能量沉積特性與不存在軔致輻射預加熱等優點；而束流的聚焦是離子束聚變尚待解決的關鍵問題。目前正在研製的最大的輕離子束驅動器是美國桑迪亞國家實驗室的名為“PBFA-Ⅱ”(<1000kJ，100TW)的系統。
最終用於慣性約束聚變反應堆的驅動器，要求高效率（約10％～20％）、高重複率(約10～20Hz)與低成本，並應有下述束性能，能量約1～10MJ,功率≥1014W；經幾米距離（堆腔尺寸）傳輸後，聚焦斑點的直徑約為幾毫米，相應的功率密度約為1014～1015W/cm2；另外，束-靶的耦合應當是有效的。有希望成為未來聚變堆驅動器的候選者是KrF、自由電子、CO2雷射，以及輕離子與重離子束等。
參考書目
J.Nuckolls,et al.,nature,Vol.239,p.139,1972.
K.A.Brueckner and S.Jorna,Rev. Mod. Phys.,Vol46, p. 325, 1974.
G.Yonas,Scientific American,Vol.239,p.50,1978.
