惯性约束核聚变(ICF)的一个主要目标是关于氘氚(DT)混合核燃料的热核聚变反应的点火。点火过程之后,热核燃烧波(主要是较大散射截面D+T=>α+n+17.6MeV的聚变反应)穿过压缩燃料将产生大能量增益G=Efus/Ein(热核聚变能与投入能之比)。为了达到这一目的,有两个方案被提议,即:直接驱动和间接驱动。两种方案下都是考虑一个包有DT核燃料的球形胶囊。在直接驱动方案中球形胶囊被大数量的激光照射,而在间接驱动方案中激光能量首先转化为X光场(约束在高Z壳中;如黑体辐射的黑腔)来照射胶囊。沉积在外部胶囊层里的能量将产生一系列的强冲击波来诱导胶囊内爆。
在经典的中心点火方案中,DT燃料在停滞产生高密度(几百克每立方厘米)壳层来约束部分DT燃料(几百微克)前会被加速到高内爆的速度(几百千米每秒)。点火条件要求称作热点的中心物质加热到10keV高温,并约束在有限体积内使面密度与阿尔法粒子距离可比(约为0.3g/cm2)。一个关键的因素便是关于胶囊照射的均匀性。一次成功的胶囊内爆要求非常均匀的照射和胶囊靶丸;否则,内爆壳层将遭受危险的流体力学不稳定性(Richtmyer–Meshkov和瑞利泰勒RT)的增长,而且壳层变形将最终摧毁热点。一种减少RT不稳定性增长的方法是在低内爆速度V时压缩胶囊燃料。
可替代方案目前也正在研究,例如激光加速电子、质子和重离子诱导产生快点火。最近冲击波点火方案已经被提议作为惯性约束核聚变下经典中心点火的替代方案。这种情况下胶囊被激光光束直接照射来压缩DT燃料。压缩壳层的内爆速度被设定在点火阈值之下(V<2×10^7~3×10^7cm/s),从而不会产生有效的热点。在冲击波点火方案中,第二束高功率(几百太瓦)的激光脉冲照射胶囊来驱动强冲击波从而达到燃料聚变要求的压缩壳层。冲击波点火脉冲必须仔细调节时间来与强冲击波同步使得压缩冲击波停滞后刚好从中心反弹回来。这个新方案相比中心点火预计将得到更高增益,而压缩过程与点火过程的分离使得对照射均匀性的条件的要求不是那么苛刻。 除此之外,两步照射将受益于zooming技术来提高激光与胶囊之间的耦合效率。当然也应该注意激光等离子体不稳定性带来的不确定性,例如在冲击波点火脉冲的高激光强度Iλ2>1015W·cm-2μm2时会预期出现的受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)和双等离子衰变(TPD)。这些致命的不稳定性将减少能量沉积效率并产生高能(约10~40keV)电子。与冲击波点火方案相关的激光等离子体相互作用中的不确定性也引起了实验工作的极大兴趣。 |