惯性约束核聚变
惯性约束核聚变(inertial confinement fusion,ICF)是指用强大的激光等把小小的燃料芯块瞬间压缩、加热,在燃料靠惯性保持形状的极短时间内引发核聚变反应的方式。
通俗定义(高中水平)
Section titled “通俗定义(高中水平)”磁约束是靠磁场做成的笼子把等离子体缓慢地保持住,而惯性约束则是一种在一瞬间完成的方式。对着一颗米粒大小的燃料小球,从四面八方同时照射强大的激光。于是小球表面爆炸性地飞散,其反作用产生了指向中心的强大压力,把燃料一下子压缩起来。这种向内的压缩称为爆聚(implosion)。当中心变得比太阳中心还要高温、高密度的瞬间,核聚变之火被点燃,在燃料飞散之前完成反应。约束住它的不是磁场,而是物质无法骤然移动这一惯性本身。
严格定义(本科及以上)
Section titled “严格定义(本科及以上)”在惯性约束中,为了在燃料靠惯性保持形状的时间 内获得足够的反应,用压倒性的高密度 来弥补约束时间的短暂。在满足劳森条件中出现的 时,磁约束采取低密度、长时间的方针,而惯性约束则采取超高密度、极短时间这一完全相反的方针。在爆聚中,燃料被压缩到固体密度的数百倍至千倍左右,在中心产生的高温区域(热斑)中点火,并使反应向周围的低温燃料燃烧蔓延。
传递能量的方式有两种。直接驱动(direct drive)是把激光直接照射到芯块表面的方式,能量效率高,但保持照射的均匀性较为困难。间接驱动(indirect drive)是把芯块放在金属制小筒(黑腔)中,用激光加热筒的内壁,利用产生的 X 射线来实现爆聚的方式,均匀性更优。美国的国家点火装置(National Ignition Facility,NIF)采用的是间接驱动。
在聚变研究中的作用
Section titled “在聚变研究中的作用”惯性约束是与磁约束并列的核聚变两大途径之一。2022 年 12 月,NIF 首次在人类历史上实现了取出超过所投入激光能量的核聚变能量的点火(ignition),表明核聚变在科学上是可以实现的。这一成果对整个核聚变研究而言是一个重大的里程碑,也提升了人们对把惯性约束推向发电这一工程课题的关注。