惯性约束

惯性约束聚变（英语：Inertial confinement fusion，缩写为ICF），也译为局限惯性核聚变、惯性约束核聚变、惯性限制氢聚变、惯性局限融合，是一种核聚变的技术。这项技术利用激光的冲击波使得通常包含氘和氚的燃料球达到极高的温度和压力，来引发核聚变反应。惯性约束是实现可控核聚变的两大主流方案之一（另一个是磁约束）。美国的国家点火设施（NIF）是目前最大的惯性约束聚变装置，以环空器进行实作，于2013年成功一次核聚变反应实验，使燃料球放出比施加激光还大的能量。法国一个类似的大型设备百万焦耳激光（英语：Laser Mégajoule）（Laser Mégajoule，LMJ）也在进行相关研究。惯性约束聚变的提出最早是在1970年代初。70年代和80年代的实验发现这些装置的的效率比预想的要低得多，而且“点火”不是那么容易发生的。80年代和90年代科学家进行了许多实验试图弄明白高强度激光和等离子体等的复杂关系。惯性约束聚变的概念最早可追溯到一次在1957年由“氢弹之父”爱德华·泰勒召集的关于和平利用核能的研讨会。在这场研讨会上，一些人提出用氢弹加热在一个注满水的地下岩洞，用得到的蒸汽推动发电机运行，从而获得电能。在PACER项目中，这一想法有更深入的研究。大约在同一时间（1956年），核聚变先驱，德国马克斯·普朗克研究所的卡尔·冯·魏茨泽克组织了一场会议。在这次会议上，弗里德瓦特·温特堡（Friedwardt Winterberg）提出了一个在会聚冲击波的作用下的高能量非裂变热核微爆方案。更多的关于Winterberg的这一工作的资料可以在前东德秘密警察的解密报告中得到。这一概念也引起了约翰·纳克尔斯（John Nuckolls）的兴趣。他的早期研究希望能使用较小的核爆获得更多的能量输出，以及不使用裂变能量来引燃聚变是否可行。他提出用一小块放在金属外壳中心的氘﹣氚混合的燃料来实现完全的核聚变。这一金属外壳被称为“环空器”。环空器获得的能量使之温度升高，直到它向外放出X射线。X射线将压缩氘﹣氚燃料，与氢弹中一小块原子弹的作用类似。这一方案的主要优点是高密度下聚变时的高效率。根据劳森判据，加热氘﹣氚燃料所需的能量大约100倍于通过加压的方式获得同样效果所需的能量。所以在理论上惯性约束聚变可以获得更多的净能量。这也可以理解为，在燃料被缓慢加热的通常情形下，能量的损失率与燃料与周围环境的温度差有关，比如磁约束聚变。1964年，温特堡提出了用加速到1000km/s的强粒子束来激发聚变反应。1968年，他提出可以用马克斯发生器（Marx Generator）来产生强电子束与离子束。1950年代末，纳克尔斯及其合作者在劳伦斯利福摩尔国家实验室（LLNL）运行了一系列关于惯性约束聚变的计算机模拟。1960年初，计算机完整地模拟了1毫克氘﹣氚燃料产生的内爆。模拟表明，5MJ的输入到环空器的能量可以产生50MJ的聚变输出。这个时候激光还没有被发明，科学家考虑过诸如带电粒子加速器、等离子枪、超高速弹丸枪，等等。这一年，新的计算机模拟改进了理论，此外，环空器更大更薄。这些变化显著地提高了内爆的效率，因此压缩燃料所需的能量减少了。经过一系列计算，引燃核聚变最少需要1MJ的能量。之后几年，科学家提出了许多不同的理论。1960年，激光发明。1962年LLNL的负责人开始小规模的激光研究以期为约束聚变开辟道路。LLNL主要是以军事应用的名义获得研究经费的。之后十年里，实验室进行了一些小规模实验，研究激光与等离子体的相互作用。在1970年代初，美国物理学家基普·西格尔（Kip Siegel）开始建造称为KMS的激光约束聚变系统。这一建造计划遭到了许多实验室和美国原子能委员会的反对。1972年纳克尔斯在《自然》杂志上发表了一篇文章，介绍惯性约束聚变以及可以在千焦耳级别设别上产生聚变的测试平台。尽管面临包括资源不足等众多困难，KMS聚变系统还是在1974年5月1日成功地实现了核聚变。但很快西格尔就去世了。这个时候，许多军用实验室和高校开始了各自的项目，比如劳伦斯利福摩尔国家实验室（与罗切斯特大学的钕固态激光器，洛斯阿拉莫斯国家实验室与美国海军研究实验室的二氟化氪准分子激光。高能量惯性约束聚变实验发轫于1970年代早期。这个年代，所需的能量较高的激光器被设计出来，磁约束聚变相关概念与设计获得关注，同时能源危机爆发。劳伦斯利福摩尔国家实验室（LLNL）获得了大量的资金进行激光惯性约束聚变项目的研究。LLNL的Janus激光器在1974年开始运行，并且验证了使用钕元素制造高能量激光器的可能性。在经历了长路径激光器（Long Path Laser）和Cyclops激光器后，LLNL建造了更大的Argus激光器。但这些设备没有一个能成为有实用价值的聚变约束器。在当时，许多人认为建造更大的激光器可以更好地加热和压缩燃料靶丸。但这实际上是一种误解。惯性约束聚变的实作概念，是在极短时间内，以多束高能量脉冲激光，同时照射在一个固态球状核燃料（通常是混合了氘与氚所作成的）上。当激光照射在燃料层的外层时，将燃料球外层加热至等离子体化，并产生爆裂。根据牛顿第三运动定律，外层爆裂所出现的反作用力，形成震波向内传播，造成内爆，压迫内部的氘与氚，形成高压高温，造成自发性的燃烧，产生链式反应，最终诱发核聚变反应。国家点火设施（NIF）将固态燃料球放在环空器内，紫外光激光由环空器两端孔洞射入，但没有直接射击燃料球，而是照射环空器内壁，并将之加热到发出强烈的X光束。由X光束照射燃料球，使燃料球发生内爆而产生核聚变反应。这个作法的优点是，由环空器发出的X光束，可以更均匀的照射到燃料球表面，让表层的爆裂时间更一致，在短时间内汇集最大能量。