必须考虑的两个问题

对于销蚀靶，必须考虑下面两个问题。第一个问题是：销蚀靶在压缩过程中，很容易发生瑞利—泰勒不稳定性，这不稳定性是由于挤压是在不同密度的流体之间发生的，如图所示，为一很简单的瑞利—泰勒不稳定性例子。若一层水浮在油上面，水的比重比油要大，在重力的作用下，水与油要发生挤压。若没有任何扰动的话，水与油可以保持平衡，两种液体的界面是平面；若略有扰动，油就会冲破界面向水中跑，压缩就告失败。靶丸中压缩失败就意味着不能使燃料达到能发生聚变的温度与密度，就不能引起聚变。为了防止不稳定的发生，科学家们需要在理论上以及靶丸的设计上想不少办法。

瑞利—泰勒不稳定示意图

第二个问题是：靶丸的增益问题，靶丸的增益Q定义为聚变放出能量Eout与驱动器（激光）提供给靶丸的能量EL之比。即Q=Eout/EL。人们要做人造小太阳就是为了给我们提供能量，必须希望有很高的增益，何况为了完成激光打靶，还有着很多其他能量的消耗。简单地来算一笔经济账，从靶丸放出的能量Eout必须通过热机转化成电能，其中ηte为热机（即热—电转换器）效率，这效率必然小于1，即送出热机的能量W必然小于送进热机的能量Eout，否则成为永动机了（别忘了第一部分讲的海水永动机）；从热机送出的能量W也不能全部拿来用了，别忘了发生激光还需要激光驱动器，没有能量给激光驱动器，又何来打靶的激光？因此还应该有一部分能量φW输入激光驱动器，其中φ为能量回收比。当然这部分能量也不可能全部转变成激光的能量，激光驱动器也有效率问题，以ηd表示激光驱动器的效率，这效率也不可能达到1。一个靶丸发生聚变能输出的能量为（1-φ）W。

靶丸的增益示意图

φ越小，反应堆输出的能量越大，显然，热机效率与激光驱动器的效率ηte、ηd越大越好，但这受一定的客观规律制约，不可能无限增大，因而必须想法让靶丸的增益Q增大。

如何才能让靶丸的增益增大呢？第一要使核燃料尽量出现聚变反应，不浪费；第二尽量让核燃料的压缩过程为绝热压缩，压缩到能聚变的程度，不浪费激光能量；第三采取部分点火的方式，让部分的反应自动过渡到全部。

打个简单的比方吧，假如我们想点燃一堆煤，总不能让煤块散落在一个较大的范围，必须第一步将它们聚得比较紧的程度，聚得比较合适，煤就不会浪费，要是还有一些散落，这些煤就不会燃烧，就浪费了。把煤聚在一起，就相当是激光把靶的外壳气化成等离子体，让气层的反冲力压缩核燃料的过程，希望尽量把核燃料都压缩成可以发生聚变的程度。另一方面，只要把煤聚在一起足够紧密就行了，也就是说，只要紧密得点燃一块煤就能引起旁边的煤燃烧就行了，用不着在压缩煤堆时还去提高煤的温度，提高一些煤的温度，并不能让煤燃烧，徒然浪费能量；这就是为什么科学家设计激光打靶时，希望压缩过程是绝热的原因，这样能节约激光的能量。要想点燃这堆煤，日常生活的经验总是先点燃一小块煤，不会傻到想用一大把火柴全都掷进煤堆，想同时让煤堆都燃烧吧？这也太浪费火柴了。要知道火柴就是激光驱动器的能量，因此为了提高增益，少浪费驱动器能量，要设计激光打靶时先让小部分燃料点火，让小部分点火成功后用自己的能量去点燃周围的燃料。

为了防止瑞利—泰勒不稳定性，为了提高靶丸的增益，科学家们绞尽脑汁，设计各种激光驱动器与形形色色的靶丸。

为了避免压缩时不稳定性的发生，常常把驱动器设计成多束激光束，能均匀地照射在靶丸表面上。如果激光束不能均匀地照射在靶丸表面上，则会造成向心爆聚的不对称，不对称性直接导致销蚀层等离子体中的不稳定性。另外，制备这样的销蚀靶在技术上要求很高。不但因为氘氚燃料球的尺寸很小，通常直径为几百微米；为了避免在涂敷时氘氚燃料泄漏，涂敷工艺温度必须小于100摄氏度。而且为了防止内爆过程中的界面不稳定性，涂层密度和厚度的不均匀性须小于3%，涂层表面的粗糙度（即表面峰谷间距）须小于100纳米（即10-9米）。

各国科学家曾设计了多种销蚀靶，现在把几种靶丸作一比较。每个图分上下两部分，上图的扇形是靶丸的一部分，黑色表示固态的D-T（氘—氚）燃料，阴影部分为轻材料所作的靶壳，气体（GAS）是一种填充物，一般用惰性气体。下图为相应的激光脉冲，横坐标为脉冲持续时间，纵坐标为脉冲强度。如第一图，最高强度为每平方厘米1015～ 1016瓦，激光持续时间为30纳秒。

几种销蚀靶的设计

第一种设计称为“尖锐脉冲靶”，以其需要一个尖锐的激光脉冲而命名，是1969年劳伦斯—利弗莫尔实验室的纳科尔斯等提出的。驱动器的激光开始比较平滑，最后来一个尖锐的脉冲，开始的较平滑的激光目的是让销蚀层将DT（氘氚）燃料绝热地压缩到很高的密度（10000倍固体密度），然后用一个尖锐的高脉冲将燃料点火。由于开始的冷压缩是理想的，实际上不可避免地激光的能量要用来加热外壳层部分，因此其增益并不理想，通常小于100。而且，尖锐的脉冲需要很强的激光驱动器，这个方案最后被人们放弃。

第二种设计称为“薄壳靶”，是1978年前苏联阿法纳斯耶娃等人设计的。它避免了对激光器发一个尖锐脉冲的要求，激光驱动器能量也比较低；靶丸增益可以达到300～1000，比第一种要好。这个设计的缺点是靶壳太薄，靶丸半径与厚度之比在60～100，这样薄的靶壳，在内爆时非常容易发生瑞利—泰勒不稳定性，而且实际上也很难达到理想的增益。

第三种设计称为“脉冲靶”，是1977年洛斯阿拉莫斯实验室佛瑞里提出的。是与高效率的CO2激光器相配合的。激光的能量集中在一个很小的时间范围内，形成1～2纳秒（10-9秒）的脉冲。高强度的激光产生了丰富的高能电子（电子温度Te≥50千电子伏），外壳被设计成几个电子自由程的厚度，当外壳层被加热后飞散，反冲效应使余下的壳层向内冲击。计算表明，中心壳层所受到的冲击和“尖锐脉冲”靶类似。“脉冲靶”的缺点是内壳层燃料对脉冲的对称性要求很严，换句话说，对内爆的不对称性过分敏感。另外，脉冲作用在外壳层，在外壳层中没有DT燃料，也是一个缺点。

第四种设计称为“双壳层靶”，是1977年林德提出，被劳伦斯—利弗莫尔国家实验室（简称LLNL）看好为高增益的靶设计。主要燃料在外壳层，与内壳层的点火部分处在不同的物理状态下，使得压缩过程中主要燃料处在冷绝热状态，因此获得比较高的增益。要求的激光脉冲也比较平坦，提高了激光等离子体耦合效率。这样的靶丸在制作上比较困难，很难保证内壳层能够放在外壳层的中心。

我国在靶丸的制作、靶物理研究方面，也正在蓬勃开展，建立了很多理论模型，进行了大量数值模拟。在激光驱动器“神光装置”和“星光装置”上进行了激光与靶耦合、辐射场与高温高压等离子体特性、内爆动力学和流体力学不稳定性、热核点火和增益等物理规律的系统研究，获得了对靶物理规律较系统和深入的认识。