专利摘要

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。

权利要求

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。

说明书

技术领域

本发明涉及热核聚变能源领域，特别是一种热核聚变发生方法及系统。

背景技术

核聚变(nuclearfusion)，又称核融合、融合反应或聚变反应，核是指由质量小的原子，主要是指氘(D)或氚(T)，在一定条件下，如超高温和高压下，让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够克服相互之间的库伦斥力而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，如氦，中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。这是一种核反应的形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化，即从一种原子核变化为另外一种原子核，往往伴随着能量的释放。核聚变是不同于核裂变的一种核反应形式。

热核聚变能源是一种非常有前景且被广泛关注的能源解决方案。与传统能源相比，聚变能的来源可以为海水中的重氢D，因此几乎是取之不尽的，且不受时间和地域限制；此外，核聚变能源又是洁净能源，不排放二氧化碳、二氧化硫以及其它有害气体和颗粒；并且与核裂变相比，其不存在裂变反应堆中的临界事故的危险以及核废料的处理等问题。但获得热核聚变能源首先要实现实验室条件下的可控热核聚变，其中激光驱动惯性约束聚变(ICF)是重要的氘氚(DT)燃料可控核聚变的重要途径之一。

目前在激光驱动聚变研究中最主要也最成熟的技术路线是中心点火，采用的驱动方式是激光间接驱动或者直接驱动。中心点火技术路径是利用激光或者X光(可由激光烧蚀金(Au)材料黑腔产生)烧蚀含DT热核材料的靶丸外层，靶丸外层物质受热后向外膨胀并喷射，向外喷射物质产生向内的反作用力，向内推动球形靶丸运动，利用向内球形压缩的内爆效果，使靶丸中心的DT核燃料达到高密度(约100g/cm³)、高温(约4keV)的点火状态，我们称靶丸中心的高密高温核燃料区域为热斑。聚变核燃料初始温度很低(约20K)，主要靠内爆压缩做功提高核燃料的密度和温度。热斑开始聚变燃烧之后，再一点点把周围的相对低温的DT燃料加热燃烧，最终实现较高能量输出的整体热核聚变。

上述中心点火中，利用的是热波烧蚀反作用力的火箭效应，点火热斑所获得的能量占输入激光能量的比例较低，小于1％。另外，要使DT燃料中心的热斑达到高温高密的点火状态，需要对靶丸进行高度压缩，压缩比(靶丸初始半径与压缩后的半径之比)高达～30。在如此高的压缩比下，中心点火方式对各个环节的技术指标要求非常精密甚至苛刻：要达到比较均匀的球形压缩以产生可点火的热斑，对驱动靶丸内爆的激光或者X光的强度均匀性要求小于1％；内爆中的流体力学不稳定性会高度发展，带来靶丸外层低温物质混合入高温的点火热斑等问题，这就要求靶丸的各个球形界面非常光滑，通常要求各界面的不光滑度小于100纳米(nm)。为实现DT主燃料层在以上多个因素的制约下，点火热斑的温度提高是一个瓶颈问题，实验室条件下的中心点火聚变实现非常困难。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例中一方面提供一种热核聚变发生方法，另一方面提供一种热核聚变发生系统，用以提高点火热斑的温度，实现稳定的高的聚变产生。

本发明实施例中提供的一种热核聚变发生方法，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。

本发明实施例中提供的一种热核聚变发生系统，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。

可见，本发明实施例中，通过利用激光直接加热腔体内层的热核材料，并使得产生的等离子体在腔体内高速汇聚，将会提高激光-聚变热斑的能量效率，生成高温高压的汇聚等离子体，进而产生核聚变释放能量，实现了稳定的高的聚变产出。该过程由于不涉及高收缩比情况下对各种非理想因素的高敏感度，因此具有很高的皮实性(robustness)。另外，本方案的激光耦合效率较高，当高速膨胀的等离子体在中心汇聚时，将等离子体的动能首先转化为离子的无规则热运动内能，使得汇聚等离子体的离子温度较高(约10keV)，同时汇聚等离子体的离子温度与等离子体的电子温度相脱离，离子温度高于电子温度，降低了汇聚等离子体通过电子轫致辐射和电子热传导机制损失能量的速率。因此，是实现高通量中子源乃至聚变能源的一个非常有效的技术方案。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，

图1为本发明实施例中热核聚变发生方法的示例性流程图；

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。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例中热核聚变发生方法的示例性流程图。如图1所示，该流程可包括如下步骤：

步骤101，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。

本实施例中，内层含有热核材料的腔体可以为内壁衬有一层热核材料(例如，该层热核材料的厚度可约为100微米(μm))的金属腔体，或者也可以为由热核材料制成的壳体稍厚(例如，该壳体厚度可以为数百微米)的腔体。

本实施例中，所述腔体的形状可以为球形或近似球形的近球形，以便于使烧蚀热核材料后产生的等离子向中心高速汇聚。

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。

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。

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1个、2个、3个，……，12个等。

下面给出两个关于激光注入孔的数量的例子。

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。

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。

此外，在一个实施方式中，还可根据热核材料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。

步骤102，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。

在聚变点火的劳逊(Lawson)判据中，核燃料等离子体的离子温度(Ti)是一个关键参量。因为聚变DT的平均反应速度<συ>对离子温度非常敏感。提高离子温度，可以大大增加核反应截面和核反应速度，降低点火对其它物理量的严苛要求。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1～10keV)。

本实施例中，通过合理设计含热核材料的球形腔体的半径、激光注入口的半径，注入的激光能量、脉宽、强度等关键参数，可保证激光加源期间激光注入不被腔体内和激光注入口处的等离子体阻碍，能够比较有效的注入腔体内，并可持续的对汇聚等离子体产生有效的贡献。同时采用必要的激光束匀滑手段，可尽量降低激光和等离子体相互作用引起的背向散射等效应，尽量保证激光的有效注入。

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10纳秒之间。

步骤103，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。

本步骤中，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10keV)，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。

在上述等离子体的动能转化为等离子体的离子内能的过程中，等离子体的离子温度得到进一步的提高，但等离子体的电子温度却提高有限，此时，等离子体的离子温度与等离子体的电子温度相脱离，离子温度高于电子温度，也就是说，电子温度并没有随离子温度的提高而同步提高，可见，本实施例中的方案能够降低汇聚等离子体通过电子轫致辐射和电子热传导机制损失能量的速率。

步骤104，所述汇聚等离子体发生核聚变反应，释放能量。

本实施例中，通过采用不同的热核材料可以有不同的能量产出。

例如，对于需要利用中子能量的应用场合，热核材料可包含氘氚，此时所释放的能量中还伴随有较高的中子产额。例如，通过对上述物理过程进行分析和定标研究，可得到中子产额定标规律Y_n～(E_L/R^1.2τ^0.2)^2.5。即中子产额(或者说聚变能量产出，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。

根据上述中子产额定标规律Y_n～(E_L/R^1.2τ^0.2)^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(CD)球形腔体，氘氘反应中子产额为3.5×10⁹；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100kJ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10¹⁴的DT中子产额；采用半径为5.6mm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10¹⁸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10MJ规模的激光器上，本技术方案可产生约2.0×10¹⁹的DT中子产额，产能约为56MJ，基本实现聚变能量增益×6。

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。

上述主要对需要利用中子能量的情况进行了简要的分析。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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1个、2个、3个，……，12个等。

下面给出两个关于激光注入孔的数量的例子。

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。

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。

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。

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。

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1～10keV)。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10keV)，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。

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10纳秒之间。

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。

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。

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。

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10¹⁴以上的脉冲式热核DT中子，或者10¹²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。

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。

热核聚变发生系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。