慣性約束聚變
此條目沒有列出任何參考或來源。 (2018年9月25日) |
慣性約束聚變（英語：inertial confinement fusion，縮寫：ICF），也譯為侷限慣性核聚變、慣性約束核聚變、慣性限制氫聚變、慣性局限融合，是一種核聚變的技術。這項技術利用激光的衝擊波使得通常包含氘和氚的燃料球達到極高的溫度和壓力，來引發核聚變反應。
慣性約束是實現可控核聚變的兩大主流方案之一（另一個是磁約束）[1]。美國的國家點火設施（NIF）是目前最大的慣性約束聚變裝置，以環空器進行實作，於2013年成功一次核聚變反應實驗，使燃料球放出比施加激光還大的能量。法國一個類似的大型設備百萬焦耳激光（Laser Mégajoule，LMJ）也在進行相關研究。
歷史
慣性約束聚變的提出最早是在1970年代初。70年代和80年代的實驗發現這些裝置的的效率比預想的要低得多，而且「點火」不是那麼容易發生的。80年代和90年代科學家進行了許多實驗試圖弄明白高強度激光和等離子體等的複雜關係。
概念的提出
慣性約束聚變的概念最早可追溯到一次在1957年由「氫彈之父」愛德華·泰勒召集的關於和平利用核能的研討會。在這場研討會上，一些人提出用氫彈加熱在一個注滿水的地下岩洞，用得到的蒸汽推動發電機運行，從而獲得電能。在PACER項目中，這一想法有更深入的研究。
大約在同一時間（1956年），核聚變先驅，德國馬克斯·普朗克研究所的卡爾·馮·魏茨澤克組織了一場會議。在這次會議上，弗里德瓦特·溫特堡（Friedwardt Winterberg）提出了一個在會聚衝擊波的作用下的高能量非裂變熱核微爆方案。更多的關於Winterberg的這一工作的資料可以在前東德秘密警察的解密報告中得到。
這一概念也引起了約翰·納克爾斯（John Nuckolls）的興趣。他的早期研究希望能使用較小的核爆獲得更多的能量輸出，以及不使用裂變能量來引燃聚變是否可行。他提出用一小塊放在金屬外殼中心的氘﹣氚混合的燃料來實現完全的核聚變。這一金屬外殼被稱為「環空器」。環空器獲得的能量使之溫度升高，直到它向外放出X射線。X射線將壓縮氘﹣氚燃料，與氫彈中一小塊原子彈的作用類似。
這一方案的主要優點是高密度下聚變時的高效率。根據勞森準則，加熱氘﹣氚燃料所需的能量大約100倍於通過加壓的方式獲得同樣效果所需的能量。所以在理論上慣性約束聚變可以獲得更多的淨能量。這也可以理解為，在燃料被緩慢加熱的通常情形下，能量的損失率與燃料與周圍環境的溫度差有關，比如磁約束聚變。
1964年，溫特堡提出了用加速到1000km/s的強粒子束來激發聚變反應。1968年，他提出可以用馬克斯發生器（Marx generator）來產生強電子束與離子束。
早期研究
1950年代末，納克爾斯及其合作者在勞倫斯利福摩爾國家實驗室（LLNL）運行了一系列關於慣性約束聚變的計算機模擬。1960年初，計算機完整地模擬了1毫克氘﹣氚燃料產生的內爆。模擬表明，5MJ的輸入到環空器的能量可以產生50MJ的聚變輸出。這個時候激光還沒有被發明，科學家考慮過諸如帶電粒子加速器、等離子槍、超高速彈丸槍，等等。
這一年，新的計算機模擬改進了理論，此外，環空器更大更薄。這些變化顯着地提高了內爆的效率，因此壓縮燃料所需的能量減少了。經過一系列計算，引燃核聚變最少需要1MJ的能量。之後幾年，科學家提出了許多不同的理論。
1960年，激光發明。1962年LLNL的負責人開始小規模的激光研究以期為約束聚變開闢道路。LLNL主要是以軍事應用的名義獲得研究經費的。之後十年裏，實驗室進行了一些小規模實驗，研究激光與等離子體的相互作用。
初始研究
在1970年代初，美國物理學家基普·西格爾（Kip Siegel）開始建造稱為KMS的激光約束聚變系統。這一建造計劃遭到了許多實驗室和美國原子能委員會的反對。1972年納克爾斯在《自然》雜誌上發表了一篇文章，介紹慣性約束聚變以及可以在千焦耳級別設別上產生聚變的測試平台。儘管面臨包括資源不足等眾多困難，KMS聚變系統還是在1974年5月1日成功地實現了核聚變。但很快西格爾就去世了。這個時候，許多軍用實驗室和高校開始了各自的項目，比如勞倫斯利福摩爾國家實驗室與羅切斯特大學的釹固態激光器，及洛斯阿拉莫斯國家實驗室與美國海軍研究實驗室的二氟化氪準分子激光。
高能量慣性約束聚變
高能量慣性約束聚變實驗發軔於1970年代早期。這個年代，所需的能量較高的激光器被設計出來，磁約束聚變相關概念與設計獲得關注，同時能源危機爆發。
勞倫斯利福摩爾國家實驗室（LLNL）獲得了大量的資金進行激光慣性約束聚變項目的研究。LLNL的Janus激光器在1974年開始運行，並且驗證了使用釹元素製造高能量激光器的可能性。在經歷了長路徑激光器（Long Path laser）和Cyclops激光器後，LLNL建造了更大的Argus激光器。但這些設備沒有一個能成為有實用價值的聚變約束器。在當時，許多人認為建造更大的激光器可以更好地加熱和壓縮燃料靶丸。但這實際上是一種誤解。
高能量慣性約束聚變首次突破性正增益成功試驗
勞倫斯利福摩爾國家實驗室（LLNL）國家點火裝置採用激光驅動慣性約束聚變，其設計目標是能量正增益聚變； 2009 年 6 月進行了第一次大規模激光打靶實驗，2011 年初開始了點火實驗。 2022 年 12 月 13 日，美國能源部宣佈，他們已於 2022 年 12 月 5 日成功實現能量輸出大於輸入核聚變，「向目標輸送 2.05 兆焦耳 (MJ) 的能量，產生 3.15 MJ 的聚變能量輸出。」 在這一突破之前，受控聚變反應無法產生正能量增益（自我維持）的受控聚變。
做法
慣性約束聚變的實作概念，是在極短時間內，以多束高能量脈衝激光，同時照射在一個固態球狀核燃料（通常是混合了氘與氚所作成的）上。當激光照射在燃料層的外層時，將燃料球外層加熱至等離子體化，並產生爆裂。根據牛頓第三運動定律，外層爆裂所出現的反作用力，形成震波向內傳播，造成內爆，壓迫內部的氘與氚，形成高壓高溫，造成自發性的燃燒，產生連鎖反應，最終誘發核聚變反應。
1. 激光光束，或是以激光產生的X光，快速加熱燃料球表面，在周圍形成等離子體。
2. 燃料核因為表面爆裂產生向內的反作用力，遭到擠壓。
3. 當燃料核的密度比鉛還大二十倍，溫度到達100,000,000 ˚C，進入最後階段。
4. 壓縮後的燃料核，產生的熱量快速向外放射，發散的能量是激光光束加在燃料球上的數倍。
國家點火設施（NIF）將固態燃料球放在環空器內，紫外光激光由環空器兩端孔洞射入，但沒有直接射擊燃料球，而是照射環空器內壁，並將之加熱到發出強烈的X光束。由X光束照射燃料球，使燃料球發生內爆而產生核聚變反應。這個作法的優點是，由環空器發出的X光束，可以更均勻的照射到燃料球表面，讓表層的爆裂時間更一致，在短時間內匯集最大能量。
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參考資料
- ^ 高中物理选择性必修第三册. 人民教育出版社. 2020: 124–125. ISBN 978-7-107-34593-7.