聚变能量产出，正比于中子产额)与有效注入激光能量的2.5次方成正比，反比于球形腔体半径的3次方，反比于激光脉宽的
0.5次方。所以本实施例中可在保证激光有效注入内层含热核材料的腔体的同时，可尽量增加激光能量，减小球形腔体的尺寸，并降低激光脉宽。
[0040]根据上述中子产额定标规律Yn-UJR1.2+2)2.5关于激光能量的定标关系，通过实验验证存在:直径为1.7mm的2孔碳化氘(⑶)球形腔体，氘氘反应中子产额为3.5X 19;并且中子产额非常稳定，对实验中的非理想因素不敏感。利用上述中子产额定标规律和中子产额实验数据，可以外推得到更大规模的激光装置上开展球形汇聚等离子体激光聚变的中子产额和能量输出。在能量约为10kJ规模的激光器上，采用直径为2.0mm的含热核材料的球形腔体，本技术方案可产生114的DT中子产额;采用半径为5.6_的含热核材料的球形腔体，在能量约为3MJ规模的激光器上，本技术方案可产生约118的DT中子产额，聚变产能约为3MJ，基本实现聚变能量得失相当;采用半径为5.6mm的含热核材料球壳，在能量约为1MJ规模的激光器上，本技术方案可产生约2.0 X 119的DT中子产额，产能约为56MJ，基本实现聚变能量增益X 6。
[0041]上述中子产额只是简单采用上述技术方案的结果，如果采用其他额外的技术措施，比如对球形腔体中心的汇聚等离子体外加用于保持等离子体状态的约束磁场，和/或采用其他能量脉冲措施，例如，向所述冕区等离子体和/或所述汇聚等离子体施加一能量脉冲，则可进一步提高球形腔体中心汇聚等离子体的温度和压缩密度，可以实现更高的中子产额和聚变能量产出。
[0042]上述主要对需要利用中子能量的情况进行了简要的分析。
[0043]此外，对于不需要利用中子能量的应用场合，为了避免中子对环境带来的辐射危害，热核材料可包含氦-3等。例如，氦-3与氘进行热核反应只会产生较低放射性的质子。
[0044]以上对本发明实施例中的热核聚变发生方法进行了详细描述，下面再对本发明实施例中的热核聚变发生系统进行详细描述。本发明实施例中的热核聚变发生系统可以用于执行本发明实施例中对应的热核聚变发生方法。对于本发明实施例中的热核聚变发生系统未披露的细节，请参照本发明实施例中对应的热核聚变发生方法的描述。
[0045]图2为本发明实施例中热核聚变发生系统的示例性结构图。如图2所示，该系统可包括:一腔体201和一激光发射装置202。
[0046]其中，腔体201的内层包含热核材料，且所述腔体201上开有至少一个激光注入孔。
[0047]本实施例中，腔体201可以为内壁衬有一层热核材料的金属腔体，或者也可以为由热核材料制成的壳体稍厚的腔体。
[0048]本实施例中，腔体201的形状可以为球形或近球形，以便于使烧蚀热核材料后产生的等离子向中心高速汇聚。
[0049]本实施例中，热核材料可以包括下述材料中的任意一种或任意组合:氘、氚、锂-6、氦-3等。以包含氘氚的情况为例，其热核材料的形态例如可以为:冷冻氘氚(DT)，碳化DT，低密度泡沫材料内含液态DT等等。
[0050]此外，腔体上所开的至少一个激光注入孔可以为在所述腔体上对称性的均匀分布的至少一个激光注入孔。
[0051]其中，激光注入孔的数量可以根据实际情况进行设定，例如，可以为I个、2个、3个，……，12个等。
[0052]下面给出两个关于激光注入孔的数量的例子。
[0053]第一个例子，设置4个激光注入孔，其可对应腔体一内接正四面体的顶点的位置进行设置。
[0054]第二个例子，设置6个激光注入孔，其可对应腔体一内接正六面体的面中心的位置进行设置。
[0055]此外，在一个实施方式中，还可根据热核材料的面积与激光注入孔的数量之间的平衡关系，确定激光注入孔的数量。例如，在本发明的几个例子中，可根据含热核材料的球形腔体的不同半径，在所述腔体上设置2?12个激光注入孔。
[0056]激光发射装置202用于通过所述激光注入孔向所述腔体201注入激光，以烧蚀腔体201的内层热核材料，产生向腔体201中心膨胀的冕区等离子体，且所述冕区等离子体在腔体201中心汇聚，将等离子体动能转化为等离子体的离子内能，形成高温高密的汇聚等离子体，发生核聚变反应，释放能量。
[0057]本实施例中，在激光烧蚀热核材料产生的冕区等离子体中，较低密度(<nc)的等离子体通过激光的逆轫致吸收效应获得能量，从而可获得较高的初始离子温度较高(约为I?lOkeV)。冕区等离子体在向腔体中心膨胀的过程中，向所述腔体中心高速汇聚，并将等离子体的动能转化为等离子体的离子内能，以进一步提高等离子体的离子温度(约为1keV)，同时高速汇聚过程中产生的汇聚压力也会进一步压缩等离子体，以提高其密度，形成高温高密的汇聚等离子体。
[0058]本实施例的一个实施方式中，激光的激光强度可小于1016W/cm2，激光脉宽可在10皮秒至1纳秒之间。
[0059]在一个实施方式中，该系统可进一步如图2中的虚线部分所示，包括:磁场施加装置203和/或能量脉冲施加装置204。
[0060]其中，磁场施加装置203用于在所述腔体内施加一用于保持等离子体状态的约束磁场。
[0061]能量脉冲施加装置204用于向所述冕区等离子体和/或所述汇聚等离子体施加一能量脉冲。
[0062]利用本发明中的技术方案，可以在几十千焦耳-百千焦耳规模的激光装置上产生稳定的114以上的脉冲式热核DT中子，或者112以上的脉冲式热核DD中子或者DD质子，可以作为稳定的高通量的中子或者质子源，在医学诊断和治疗、工业诊断与工业处理、科学研究和科研诊断仪器校准等方面具有重大的应用前景;在3兆焦耳规模的激光器上，有望较稳定的实现聚变能量得失相当即聚变点火，在聚变点火科学研究方面具有重大的意义;在更大规模的在10兆焦耳以上规模的激光器上，有望稳定地实现较高聚变能量增益，可以作为聚变能源应用的聚变能源靶芯设计，为后续的聚变能源反应堆和商业化的聚变电站打下科学和工程基础。
[0063]上述仅列举了本发明中的几个方法实施例和系统实施例，其并不用以限制本发明。实际应用中，还可以根据本发明方法实施例或系统实施例中的描述，变换出其它的具体实施例，凡在在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
【主权项】
1.一种热核聚变发生方法，其特征在于，预先设置内层含有热核材料的腔体，并且所述腔体上开有至少一个激光注入孔;该方法包括: 激光通过所述激光注入孔向所述腔体注入，并烧蚀所述腔体的内层热核材料，产生向所述腔体中心膨胀的冕区等离子体； 所述冕区等离子体在所述腔体中心汇聚，并将等离子体动能转化为等离子体的离子内能，形成高温高密的汇聚等离子体； 所述汇聚等离子体发生核聚变反应，释放能量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述腔体为球形或近球形腔体。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个激光注入孔在所述腔体上对称性的均匀分布。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个激光注入孔为2?12个激光注入孔。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一个激光注入孔为:对应所述腔体一内接正四面体的顶点的四个激光注入孔;或者为: 对应所述腔体一内接正六面体的面中心的六个激光注入孔。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光的激光强度小于1016W/cm2，激光脉宽在10皮秒至10纳秒之间。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热核材料包括下述材料中的任意一种或任意组合:氘、氚、锂-6、氦-3。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括:在所述腔体内施加一用于保持等离子体状态的约束磁场;和/或， 向所述冕区等离子体和/或所述汇聚等离子体施加一能量脉冲。9.一种热核聚变发生系统，其特征在于，包括:一腔体和一激光发射装置;其中， 所述腔体的内层包含热核材料，且所述腔体上开有至少一个激光注入孔； 所述激光发射装置用于通过所述激光注入孔向所述腔体注入激光，以烧蚀所述腔体的内层热核材料，产生向所述腔体中心膨胀的冕区等离子体，且所述冕区等离子体在所述腔体中心汇聚，将等离子体动能转化为等离子体的离子内能，形成高温高密的汇聚等离子体，发生核聚变反应，释放能量。10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述腔体为球形或近球形腔体。11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述至少一个激光注入孔在所述腔体上对称性的均匀分布。12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个激光注入孔为2?12个激光注入孔。13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述至少一个激光注入孔为:对应所述腔体一内接正四面体的顶点的四个激光注入孔;或者为: 对应所述腔体一内接正六面体的面中心的六个激光注入孔。14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述热核材料包括下述材料中的任意一种或任意组合:氘、氚、锂-6、氦-3。15.根据权利要求9至14中任一项所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括:磁场施加装置和/或能量脉冲施加装置； 所述磁场施加装置用于在所述腔体内施加一用于保持等离子体状态的约束磁场； 所述能量脉冲施加装置用于向所述冕区等离子体和/或所述汇聚等离子体施加一能量脉冲。
【专利摘要】本发明公开了一种热核聚变发生方法及系统。其中，方法包括：预先设置内层含有热核材料的腔体，并且所述腔体上开有至少一个激光注入孔；激光通过所述激光注入孔向所述腔体注入，并烧蚀所述腔体的内层热核材料，产生向所述腔体中心膨胀的冕区等离子体；所述冕区等离子体在所述腔体中心汇聚，并将等离子体动能转化为等离子体的离子内能，形成高温高密的汇聚等离子体；所述汇聚等离子体发生核聚变反应，释放能量。本发明实施例中提供的技术方案能够提高点火热斑的温度，实现稳定的高的聚变产出。
【IPC分类】G21B1/00
【公开号】CN105575444
【申请号】CN201610083015
【发明人】刘杰, 任国利, 蓝可
【申请人】北京应用物理与计算数学研究所
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年2月6日