熱核聚變發(fā)生方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及熱核聚變能源領域，特別是一種熱核聚變發(fā)生方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]核聚變(nuclearfus1n)，又稱核融合、融合反應或聚變反應，核是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘(D)或氚(T)，在一定條件下，如超高溫和高壓下，讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個原子核能夠克服相互之間的庫倫斥力而碰撞到一起，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，如氦，中子雖然質(zhì)量比較大，但是由于中子不帶電，因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來，大量電子和中子的釋放所表現(xiàn)出來的就是巨大的能量釋放。這是一種核反應的形式。原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化，即從一種原子核變化為另外一種原子核，往往伴隨著能量的釋放。核聚變是不同于核裂變的一種核反應形式。
[0003]熱核聚變能源是一種非常有前景且被廣泛關(guān)注的能源解決方案。與傳統(tǒng)能源相比，聚變能的來源可以為海水中的重氫D，因此幾乎是取之不盡的，且不受時間和地域限制；此外，核聚變能源又是潔凈能源，不排放二氧化碳、二氧化硫以及其它有害氣體和顆粒;并且與核裂變相比，其不存在裂變反應堆中的臨界事故的危險以及核廢料的處理等問題。但獲得熱核聚變能源首先要實現(xiàn)實驗室條件下的可控熱核聚變，其中激光驅(qū)動慣性約束聚變(ICF)是重要的氘氚(DT)燃料可控核聚變的重要途徑之一。
[0004]目前在激光驅(qū)動聚變研究中最主要也最成熟的技術(shù)路線是中心點火，采用的驅(qū)動方式是激光間接驅(qū)動或者直接驅(qū)動。中心點火技術(shù)路徑是利用激光或者X光(可由激光燒蝕金(Au)材料黑腔產(chǎn)生)燒蝕含DT熱核材料的靶丸外層，靶丸外層物質(zhì)受熱后向外膨脹并噴射，向外噴射物質(zhì)產(chǎn)生向內(nèi)的反作用力，向內(nèi)推動球形靶丸運動，利用向內(nèi)球形壓縮的內(nèi)爆效果，使靶丸中心的DT核燃料達到高密度(約lOOg/cm3)、高溫(約4keV)的點火狀態(tài)，我們稱靶丸中心的高密高溫核燃料區(qū)域為熱斑。聚變核燃料初始溫度很低(約20K)，主要靠內(nèi)爆壓縮做功提高核燃料的密度和溫度。熱斑開始聚變?nèi)紵?，再一點點把周圍的相對低溫的DT燃料加熱燃燒，最終實現(xiàn)較高能量輸出的整體熱核聚變。
[0005]上述中心點火中，利用的是熱波燒蝕反作用力的火箭效應，點火熱斑所獲得的能量占輸入激光能量的比例較低，小于I %。另外，要使DT燃料中心的熱斑達到高溫高密的點火狀態(tài)，需要對靶丸進行高度壓縮，壓縮比(靶丸初始半徑與壓縮后的半徑之比)高達?30。在如此高的壓縮比下，中心點火方式對各個環(huán)節(jié)的技術(shù)指標要求非常精密甚至苛刻:要達到比較均勻的球形壓縮以產(chǎn)生可點火的熱斑，對驅(qū)動靶丸內(nèi)爆的激光或者X光的強度均勻性要求小于I % ;內(nèi)爆中的流體力學不穩(wěn)定性會高度發(fā)展，帶來靶丸外層低溫物質(zhì)混合入高溫的點火熱斑等問題，這就要求靶丸的各個球形界面非常光滑，通常要求各界面的不光滑度小于100納米(nm)。為實現(xiàn)DT主燃料層在以上多個因素的制約下，點火熱斑的溫度提高是一個瓶頸問題，實驗室條件下的中心點火聚變實現(xiàn)非常困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明實施例中一方面提供一種熱核聚變發(fā)生方法，另一方面提供一種熱核聚變發(fā)生系統(tǒng)，用以提高點火熱斑的溫度，實現(xiàn)穩(wěn)定的高的聚變產(chǎn)生。
[0007]本發(fā)明實施例中提供的一種熱核聚變發(fā)生方法，預先設置內(nèi)層含有熱核材料的腔體，并且所述腔體上開有至少一個激光注入孔;該方法包括:
[0008]激光通過所述激光注入孔向所述腔體注入，并燒蝕所述腔體的內(nèi)層熱核材料，產(chǎn)生向所述腔體中心膨脹的冕區(qū)等離子體；
[0009]所述冕區(qū)等離子體在所述腔體中心匯聚，并將等離子體動能轉(zhuǎn)化為等離子體的離子內(nèi)能，形成高溫高密的匯聚等離子體；
[0010]所述匯聚等離子體發(fā)生核聚變反應，釋放能量。
[0011 ]本發(fā)明實施例中提供的一種熱核聚變發(fā)生系統(tǒng)，包括:一腔體和一激光發(fā)射裝置；其中，
[0012]所述腔體的內(nèi)層包含熱核材料，且所述腔體上開有至少一個激光注入孔；
[0013]所述激光發(fā)射裝置用于通過所述激光注入孔向所述腔體注入激光，以燒蝕所述腔體的內(nèi)層熱核材料，產(chǎn)生向所述腔體中心膨脹的冕區(qū)等離子體，且所述冕區(qū)等離子體在所述腔體中心匯聚，將等離子體動能轉(zhuǎn)化為等離子體的離子內(nèi)能，形成高溫高密的匯聚等離子體，發(fā)生核聚變反應，釋放能量。
[0014]可見，本發(fā)明實施例中，通過利用激光直接加熱腔體內(nèi)層的熱核材料，并使得產(chǎn)生的等離子體在腔體內(nèi)高速匯聚，將會提高激光-聚變熱斑的能量效率，生成高溫高壓的匯聚等離子體，進而產(chǎn)生核聚變釋放能量，實現(xiàn)了穩(wěn)定的高的聚變產(chǎn)出。該過程由于不涉及高收縮比情況下對各種非理想因素的高敏感度，因此具有很高的皮實性(robustness)。另外，本方案的激光耦合效率較高，當高速膨脹的等離子體在中心匯聚時，將等離子體的動能首先轉(zhuǎn)化為離子的無規(guī)則熱運動內(nèi)能，使得匯聚等離子體的離子溫度較高(約lOkeV)，同時匯聚等離子體的離子溫度與等離子體的電子溫度相脫離，離子溫度高于電子溫度，降低了匯聚等離子體通過電子軔致輻射和電子熱傳導機制損失能量的速率。因此，是實現(xiàn)高通量中子源乃至聚變能源的一個非常有效的技術(shù)方案。
【附圖說明】
[0015]為了更清楚的說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來說，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。其中，
[0016]圖1為本發(fā)明實施例中熱核聚變發(fā)生方法的示例性流程圖；
[0017]圖2為本發(fā)明實施例中熱核聚變發(fā)生系統(tǒng)的示例性結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0018]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0019]圖1為本發(fā)明實施例中熱核聚變發(fā)生方法的示例性流程圖。如圖1所示，該流程可包括如下步驟:
[0020]步驟101，設置內(nèi)層含有熱核材料的腔體，并且所述腔體上開有至少一個激光注入孔。
[0021]本實施例中，內(nèi)層含有熱核材料的腔體可以為內(nèi)壁襯有一層熱核材料(例如，該層熱核材料的厚度可約為100微米(μπι))的金屬腔體，或者也可以為由熱核材料制成的殼體稍厚(例如，該殼體厚度可以為數(shù)百微米)的腔體。
[0022]本實施例中，所述腔體的形狀可以為球形或近似球形的近球形，以便于使燒蝕熱核材料后產(chǎn)生的等離子向中心高速匯聚。
[0023]本實施例中，熱核材料可以包括下述材料中的任意一種或任意組合:氘、氚、鋰-6、氦-3等。以包含氘氚的情況為例，其熱核材料的形態(tài)例如可以為:冷凍氘氚(DT)，碳化DT，低密度泡沫材料內(nèi)含液態(tài)DT等等。
[0024]此外，腔體上所開的至少一個激光注入孔可以為在所述腔體上對稱性的均勻分布的至少一個激光注入孔。
[0025]其中，激光注入孔的數(shù)量可以根據(jù)實際情況進行設定，例如，可以為I個、2個、3個，……，12個等。
[0026]下面給出兩個關(guān)于激光注入孔的數(shù)量的例子。
[0027]第一個例子，設置4個激光注入孔，其可對應腔體一內(nèi)接正四面體的頂點的位置進行設置。
[0028]第二個例子，設置6個激光注入孔，其可對應腔體一內(nèi)接正六面體的面中心的位置進行設置。
[0029]此外，在一個實施方式中，還可根據(jù)熱核材料面積與激光注入孔的數(shù)量之間的平衡關(guān)系，確定激光注入孔的數(shù)量。例如，在本發(fā)明的幾個例子中，可根據(jù)含熱核材料的球形腔體的不同半徑，在所述腔體上設置2?12個激光注入孔。
[0030]步驟102，激光通過所述激光注入孔向所述腔體注入，并燒蝕所述腔體的內(nèi)層熱核材料，產(chǎn)生向所述腔體中心膨脹的冕區(qū)等離子體。
[0031]在聚變點火的勞遜(Lawson)判據(jù)中，核燃料等離子體的離子溫度(Ti)是一個關(guān)鍵參量。因為聚變DT的平均反應速度〈㈣〉對離子溫度非常敏感。提高離子溫度，可以大大增加核反應截面和核反應速度，降低點火對其它物理量的嚴苛要求。本實施例中，在激光燒蝕熱核材料產(chǎn)生的冕區(qū)等離子體中，較低密度(<nc)的等離子體通過激光的逆軔致吸收效應獲得能量，從而可獲得較高的初始離子溫度較高(約為I?1keV)。
[0032]本實施例中，通過合理設計含熱核材料的球形腔體的半徑、激光注入口的半徑，注入的激光能量、脈寬、強度等關(guān)鍵參數(shù)，可保證激光加源期間激光注入不被腔體內(nèi)和激光注入口處的等離子體阻礙，能夠比較有效的注入腔體內(nèi)，并可持續(xù)的對匯聚等離子體產(chǎn)生有效的貢獻。同時采用必要的激光束勻滑手段，可盡量降低激光和等離子體相互作用引起的背向散射等效應，盡量保證激光的有效注入。
[0033]本實施例的一個實施方式中，激光的激光強度可小于1016W/cm2，激光脈寬可在10皮秒至1納秒之間。
[0034]步驟103，所述冕區(qū)等離子體在所述腔體中心匯聚，并將等離子體動能轉(zhuǎn)化為等離子體的離子內(nèi)能，形成高溫高密的匯聚等離子體。
[0035]本步驟中，冕區(qū)等離子體在向腔體中心膨脹的過程中，向所述腔體中心高速匯聚，并將等離子體的動能轉(zhuǎn)化為等離子體的離子內(nèi)能，以進一步提高等離子體的離子溫度(約為lOkeV)，同時高速匯聚過程中產(chǎn)生的匯聚壓力也會進一步壓縮等離子體，以提高其密度，形成高溫高密的匯聚等離子體。
[0036]在上述等離子體的動能轉(zhuǎn)化為等離子體的離子內(nèi)能的過程中，等離子體的離子溫度得到進一步的提高，但等離子體的電子溫度卻提高有限，此時，等離子體的離子溫度與等離子體的電子溫度相脫離，離子溫度高于電子溫度，也就是說，電子溫度并沒有隨離子溫度的提高而同步提高，可見，本實施例中的方案能夠降低匯聚等離子體通過電子軔致輻射和電子熱傳導機制損失能量的速率。
[0037]步驟104，所述匯聚等離子體發(fā)生核聚變反應，釋放能量。
[0038]本實施例中，通過采用不同的熱核材料可以有不同的能量產(chǎn)出。
[0039]例如，對于需要利用中子能量的應用場合，熱核材料可包含氘氚，此時所釋放的能量中還伴隨有較高的中子產(chǎn)額。例如，通過對上述物理過程進行分析和定標研究，可得到中子產(chǎn)額定標規(guī)律Yn?(El/R1.2 + 2)2.5。即中子產(chǎn)額(或者說