劳森判据
劳森判据是指为了在核聚变中获得净能量增益,等离子体的密度、温度以及能量约束时间必须同时满足的最低标准。
通俗定义(高中水平)
Section titled “通俗定义(高中水平)”请想象一堆篝火。要把火点着,需要收集足够多的燃料、达到足够高的温度,并且让热量不至于散失过快。如果柴薪稀疏,或者热量被风迅速带走,火在点燃之前就会熄灭。核聚变也是一样,只有当燃料(等离子体)足够密、足够热,并且能把热量保持足够长的时间,反应产生的能量才能超过散失的热量。把这三个条件合在一起,构成了“只要达到这些就能点火”的判断标准,这就是劳森判据。它由英国物理学家 John Lawson 在 1950 年代推导得出。
严格定义(本科及以上)
Section titled “严格定义(本科及以上)”劳森判据(Lawson criterion)被表述为核聚变反应产生的能量超过等离子体散失能量的条件。在实际应用中,人们把密度 、温度 、能量约束时间 三者相乘得到的三重积(triple product) 作为衡量指标。
对于氘-氚(D-T)反应,在最佳温度(大约 10 〜 20 keV,约 1 亿 〜 2 亿度)下,点火所需的三重积大致为下面的数值。
这表示密度 (单位体积内的粒子数)、温度 、能量约束时间 (热量得以保持的时间尺度)三者的乘积必须超过这个数值。密度低就需要更长的约束时间,约束时间短就需要更高的密度,这三个量之间存在相互补偿的关系。
在聚变研究中的作用
Section titled “在聚变研究中的作用”劳森判据作为所有核聚变方式共通的“及格线”,是衡量装置性能的标尺。磁约束的托卡马克在抑制密度的同时争取更长的约束时间,惯性约束则以极高的密度在极短时间内完成反应,各种方式提高三重积的策略各不相同。仅靠反应自身产生的能量就能让等离子体温度自持维持的状态称为点火(ignition),劳森判据正是判断能否达到这一点火状态的基准。