CN1003893B

CN1003893B - 应用激光磁压缩反射的受控核聚变方法

Info

Publication number: CN1003893B
Application number: CN87103025.XA
Authority: CN
Inventors: 陈达远
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-08-01
Filing date: 1987-08-01
Publication date: 1989-04-12
Also published as: CN87103025A

Abstract

本发明是在大功率激光（１０^10-12瓦、１０ｎｓ）对热核燃料作用的条件下，用“角向快收缩”原理对激光产生的等离子体进行较长时间约束（最大磁强为８２千高斯，最大电流为１６４０千安，约束时间约为１２微秒），并且用激光反射层，＇弯晶体＇和石墨等组成的特殊反射层来进行的热核反应。核燃料总的转化率为１－４％。

Description

应用激光.磁压缩.反射的受控核聚变方法

本方法属受控核聚变领域。激光具有异常高的简并度，在同一个量子态的情况下，具有多达10¹⁷个光子，其量的变化引起了质的飞跃。表现在：第一、激光的方向性强，亮度高，能在直径为百之几或千分之几毫米的范围内产生几百万度以上的高温……;第五，高简并度电磁场的场强可以远远超过原子、分子内部库仑场的场强。这种强激光与物质的相互作用，导致了倍频、和频、差频等许多新的物理现象。（摘自程守洙、江之水主编的‘普通物理’第三册336页）。

由基本粒子理论，光子参与电磁相互作用，轻子也参与电磁相互作用，它们的行为由电磁相互作用和弱相互作用所决定，强相互作用粒子也参与电磁相互作用和弱相互作用。由以上两点，说明激光具有对原子和原子核的强电磁作用（且具有一定的选择性），从而使原子核处于某种‘激发态’，而强相互作用的粒子又参加了处于‘激发态’的电磁相互作用。即轻子（0⁺、1等）的核处于某种‘激发态’。用另一种方法论述：光子（r）频率与核子振动频率相近时，光子有可能与原子核形成“共振”，从而使原子核不稳定，在核子相互作用（碰撞）时，有可能重新组合而发生核反应，同时放出能量（指热核反应）。这种‘激发态’的核子所需的r光子可用激光产生，自由电子的轫致辐射产生，也可以由核反应本身而产生，还可能由激光的间接作用而派生出来（即入射具有一定频率的光子，而反射的光子可能是另一些频率的）。这些现象在阿·卡·别尔金（苏联）、张礼（中国）等作的‘低能光核过程’一书中叫‘光核过程’或叫‘光核反应’。

本发明认为：在激光作用下的热核反应，首先形成高温等离子体，进一步吸收光能，产生很大的压强（约10⁸个大气压），对热核燃料进行压缩（可以看作势能提高，持续时间达10ns，密度达固体的一千倍以上）。再进一步获得能量（电子或光子提供）。核子被‘激发’和高速运动，发生热核反应而膨胀，很快扩散。这个过程，大约以第10ns至50ns反应速度最快，从50ns至100ns而逐渐减弱，至停止反应。

由于扩散，有限的‘有效碰撞’锐减，从而终止反应，大部分（百分之90以上的）核燃料未反应。当然，输出的各种能量也很少（产生10^5-7个中子-对1000焦尔的脉冲激光器而言）。

就1982年7月美国公布的‘希瓦’和‘诺瓦’激光打靶装置而言：功率达2×10¹³瓦，作用时间为10^-10秒，输入能量达几千焦尔。虽然约达到了‘劳森条件’，但是，它存在着核燃料转化低（不到1%）敏光效率低（不到1%），设备庞大，价格昂贵。几乎谈不上‘重复频率’，不能持续再反应，产生的能量是爆炸式的，因而是一种没有实际经济意义的反应。世界上所有的国家几乎都是这种类似情况。

如何提高热核燃料的转换率？如何出现一定的‘重复频率’呢？这问题归咎于减慢它的膨胀速度，较长时间维持其高密度和高温，获得更多的能量输出，首先用的方法是人们长期研究的“等离子体物理学与受控热核反应”。

等离体的理论和方法在苏联科学院原子能研究所编的“等离子体物理与受控热核反应问题”和J.C林哈脱著的“等离子体物理学”，及美国的雪伍德方案中，以及其它有关文献和资料中均有论述。

总的来说，是等离子体在外磁场的压力下收缩，从而产生高温（几百万度以上），高密度（10^16-17个/立方厘米），时间以微秒计。在六万焦尔的角向收缩装置中的热核反应中子数仅达10⁵个，关于其它的磁压缩装置中，反应时间可达1秒，但是密度仍很低（10¹⁰个/cm³以下），温度也只有几十电子伏特，总的来说磁压缩装置的密度很低，反应离‘劳森条件’还差很远。

以上的资料可在有关的年会资料，国际有关会议的资料中查到，也可以在‘核聚变与等离子体物理’（原子能出版社出版），“中国激光”（上海科学技术出版社出版），“国外激光”（上海科学技术文献出版社出版），以及中国和国外的有关专利文献中查到。

综上所述，本发明认为：首先利用固体燃料（LiO等）在强（100-1000焦尔）激光的照射下（打靶）获得高密度（10^23-25个离子/cm³）、高温度（几千万摄氏度以上）的等离子体，在第10-50ns的时间内进行热核反应。在此同时进行“磁压缩”（1最大＝16400千安，）B最大＝82千高斯，持续时间达10^-5秒，平均密度为10¹⁸个离子/cm³，从而接近“劳森条件”。

再利用“弯晶体”（碳酸亚铁或碳酸钙的马鞍型离子晶体），‘薄膜技术’（强反射激光的非金属型反射镜），及石墨等组成的反射汇聚装置，进一步将光能、中子能、激光、磁压输入的能和核反应的能量汇聚到反应中心（焦斑直径约为1毫米）。这样使反应温度可提高到10-100千电子伏特，增加‘活化’（‘激发态’的）核子数，增大碰撞‘几率’，反应加快，从而使反应接近或达到“荣森条件”（10¹⁴秒厘米^-3）。再利用电极、引导磁场将产生的强离子流引出，从而输出部分电能、光能（X射线）、中子流（如示意图1）。

附图说明：

1-激光系统 2-激光窗口 3-靶 4-靶支撑 5-11-线圈 12-阳极 13-反射层和冷却层 14、15-阴极 16-联接头 17-电源系统 18-真空系统 19冷却系统 20-监控系统

参考资料：原子能出版社出版的‘受控核聚变’1974年会议资料选编117页和143页等。

本发明是在原有单独激光‘打靶’的中子产额（约10^5-7个中子）和角向快收缩的中子产额（约⁷个中子）的基础上提高两个至七个数量级，同时，可提供X射线发射，强离子流发射，中子源及输出部分电能。

本发明实施例如下：

激光条件：用三路单脉冲钕玻璃激光系统。每路激光的特性：波长1.06微米：脉宽（半）4毫微秒，上升时间1-2毫微秒;能量80焦尔;功率7-20千兆瓦;靶功率密度10¹³-10¹⁴瓦/厘米²;焦斑直径80微米（×3）;光束发散角全角（1毫弧度。器件效率-0.04%，靶球直径0.5mm，纯度为99%以上的LiO，并用氩气作表面处理。聚焦位置离靶表面不得超过±10微米，靶用铜杆支撑（φ为3mm）调节。三路激光如附图2方位入射（左图是激光与轴线的夹角和激光束之间的夹角，右图是三路激光束的焦斑相切），三焦斑相切射到靶中心位置，监测如附图3。O是靶面监测系统，NO₁是闪烁体中子探测器，NO₂是BF₂中子探测器;T是靶，XO₁是全息摄影，XO₂是X射线诊断系统，B是磁探针。

可参照“受控核聚变”1974年会议资料选编117页，由中国科学院编。磁压缩条件：第一主压缩单匝线圈8通过级联开关，传输板、集电板与NY-50-3型脉冲油浸高压电容器组（4×6×3μF）串联。最大电流约为1500千安，最大磁场强度约为70千高斯，单匝线圈8由锻压紫铜板制成，并因定在分电板上。具体形状见附图4、5。图4左上为垂直纵剖图，其余为棋剖图。图5为水平方向纵剖图。第二磁压缩由六台NY-5-150型高压电容分别与高压同轴电缆（RG19/U），汇电板、三球隙开关、单匝线圈（5、6、7、9、10、11）串联。线路如图6，此装置可参照“受控核聚变”1974年会议资料选编143页至153页，154页至164页的两篇文章。

反射装置条件：第一反射层用ZnS/MgF₂或ZnSC/NaAlF₆的多层薄膜镀在“弯晶体”上，有效均方根粗糙度约为6＜7

，制成如图7的形状。（21-薄膜镀层，22-弯晶体，23-石墨层，24-铅玻璃，25-尼龙层，26-液氮层）激光反射率达90%以上，汇聚中心焦斑直径为0.5mm第二层用厚度为1mm的“弯晶体（由FeCO₃或MgCO₃或CaCO₃等组成的马鞍型晶体）。切片贴合在石墨反射层上，光洁度在七级以上，形状如图7，对r-射线、X-射线的反射率达40%，汇聚中心焦斑为0.5毫米。第三层是石墨组成的中子反射和减速层，其厚度为2厘米，形状如图7，汇聚焦斑为0.5毫米，表面光洁度为七级。石墨反射层贴在铅玻璃壳体上（厚度为2厘米）。“铅玻璃壳”体外再套上一层“尼龙”壳体（厚度是1毫米）。在两层壳体间用“尼龙”条（继面为2×2毫米），顺轴线贴合衬垫，中间充满液氮，作冷却剂（或热交换器的一部分）。

阴极条件：用不锈钢制成圆筒形阻极（内直径2.5厘米，外直径2.9厘米，长0.5厘米），两阴极相距1厘米，第一阴极电压-50KV，第二阴极相对第一阴极为-10KV，所在位置如图1，阳极如图1，（镀铂铜电极12与支撑相联作阳极）。

时间顺序控制：激光、磁压缩系统（包括监测系统同时触发，电极用延迟回路，控制在10S后触发。

监测系统：（诊断装置如图3），测反应温度、中子数、等离体图像，X-射线强度及磁场强度、激光本身的各参数和磁压缩本身的各参数。

本发明实施后得10¹⁰个中子，因此可作中子源，同时可产生强的X射线发射和强离子流发射。适当在强离子流外套上线圈，可产生高压脉冲强电流，核燃料转化率可达1-4%。

Claims

1、一种应用激光、磁压缩和反射的受控核聚变方法，用一定能量的脉冲激光轰击固体靶，并对产生的等离子体进行磁压缩，产生中子源，其特征是。

a.用三束互成一定角度的一百至一千焦耳的脉冲激光轰击固体靶（热核材料），获得高密度（10^23-25个离子/cm³）高温度（数千万摄氏度）的等离子体，反应时间为10-50ns，

b.同时，应用“角向收缩”原理，对等离子体进行磁压缩，其密度在10¹⁷厘米^-3以上，温度在10⁹K以上，持续时间为10_-5秒，

c.应用“弯晶体”、ZnS/MgF₂或MgCO₃、CaCO₃、石墨等组成的反射汇聚装置，把激光、核反应的光能和中子汇聚反应中心，使反应温度提高到10-100千电子伏特，反应速度比单纯用激光打靶-磁压缩的反应速度提高一个以上数量级，

d.用电极输出高强离子流（0.1-100千电子伏特，0.1-100千安），r-射线、中子流或电能，

e.总体核燃料转换率在1-4%之间。

2、按权利要求1C所述方法，其特征是可反射激光散射成分的90%，中子成分的28.9%，r-射线成分的40%。