激光核聚變面臨的問題有哪些 激光核聚變的原理

1972年美國科學(xué)家J.納科爾斯等人提出向心 爆聚原理以后，激光核聚變才成為受控?zé)岷司圩冄芯恐信c磁約束聚變平行發(fā)展的研究途徑。

激光核聚變中的靶丸是球?qū)ΨQ的。球的中心區(qū)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，材料是二氧化硅等低Z（原子序數(shù)）材料；燃料層的厚度約300微米，材料是液態(tài)氘、氚，其質(zhì)量約5毫克。有的靶丸的中心區(qū)域是真空，球殼由含有氘、氚元素的塑料組成。有的靶丸則用固體氘、氚燃料，球殼由玻璃組成。

核聚變研究的最終目的是為人類提供未來的能源。氫彈是以不可控的形式顯示了核聚變能的威力。人們正在做出巨大努力，去實(shí)現(xiàn)可控的核聚變。目前，核聚變反應(yīng)堆的研究正處在實(shí)現(xiàn)高增益的前夜。

激光核聚變的原理

核聚變的原理是在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個(gè)原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，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(gè)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(yīng)的形式。原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量，原子核的變化（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。核聚變是核裂變相反的核反應(yīng)形式。

核聚變技術(shù)的里程碑

2022年13日10時(shí)美國公布了一項(xiàng)突破性的科學(xué)成就：人類首次實(shí)現(xiàn)了激光核聚變的點(diǎn)火成功。針對核聚變的點(diǎn)火成功其實(shí)也就是輸入能量小于輸出能量，這個(gè)過程就是點(diǎn)火?？茖W(xué)家利用192束強(qiáng)大的激光束照射到米粒大小的氘氚等離子體目標(biāo)，輸入能量達(dá)到了2.05兆焦，而核聚變輸出的能量達(dá)到了3.15兆焦，最終的能量增益達(dá)到了153%。幾十年了，核聚變技術(shù)終于迎來了里程碑式的發(fā)展，距離商用還有很長的路要走，但至少算是一步巨大的成功。

激光核聚變在軍事上的重要用途之一是發(fā)展新型核武器，特別是研制新型氫彈。因?yàn)橥ㄟ^高能激光代替原子彈作為氫彈點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，可以產(chǎn)生與氫彈爆炸同樣的等離子體條件，為核武器設(shè)計(jì)提供物理學(xué)數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)計(jì)算程序，進(jìn)而研制新型核武器。

激光核聚變技術(shù)上的成熟，制造“干凈氫彈”的成本大為降低。因?yàn)楹司圩兊娜剂想畮缀跞≈槐M，而且使熱核聚變反應(yīng)更加容易。通過激光核聚變，可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬核武器爆炸的物理過程及爆炸效應(yīng)，為研究核武器物理提供依據(jù)，可以在不進(jìn)行核試驗(yàn)的條件下，擁有安全可靠的核武器，改造現(xiàn)有核彈頭，并保持核武器的研究和發(fā)展能力。激光核聚變可多次重復(fù)、便于測試、節(jié)省費(fèi)用等。

激光核聚變面臨的問題有哪些

激光核聚變面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和問題：

1） 入射激光總能量轉(zhuǎn)化為靶丸內(nèi)爆能量的效率太低，只達(dá)到1-2%左右。如何提高轉(zhuǎn)化效率是ICF 能否成功的關(guān)鍵；

2） 現(xiàn)有ICF 內(nèi)爆壓縮過程中密度壓縮和溫度提升是耦合在一起的，能否將壓縮過程與加熱過程分離，分別對其控制？

3） 激光等離子體相互作用不穩(wěn)定性不僅造成激光能量的散射，而且可能會由于超熱電子的預(yù)熱導(dǎo)致壓縮困難，能否有效控制激光等離子體相互作用過程中不穩(wěn)定性、束間能量轉(zhuǎn)移？

4） 在內(nèi)爆過程中，能否有效控制等離子體流體力學(xué)不穩(wěn)定性的非線性增長？

5） 如何實(shí)現(xiàn)燒蝕壓的壓力？

6） 如何避免燃料混合？

7） 如何提高靶質(zhì)量等關(guān)鍵技術(shù)？

從長遠(yuǎn)角度來看，激光聚變的成功實(shí)現(xiàn)將一勞永逸地解決人類能源問題，為我們帶來史無前例的巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。同時(shí)，激光聚變可以用來模擬核武器相關(guān)過程，這對于國家安全意義重大。

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