【前沿∙激光驱动惯性约束】核聚变用靶丸材料研究进展

本文文字摘自《功能材料》2014年18期，作者：简科，王军，王浩，王应德，国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室，长沙。简科，博士，副研究员，从事陶瓷先驱体、陶瓷纤维及陶瓷基复合材料研究）

摘　要：　激光驱动惯性约束点火是实现核聚变的最有效途径之一，靶丸的设计与制备技术一直是激光惯性约束聚变研究中的核心技术。综述了目前靶丸材料体系的研究现状，重点介绍了理论计算十分有利于点火实验的纯B₄C空心微球靶丸。最后，对B₄C空心微球靶丸的制备成型工艺进行了展望。

1 引言

与核裂变依靠原子核分裂释放能量不同，聚变由较轻原子核聚合成较重原子核释放能量，常见的是由氢的同位素氘与氚聚合成氦释放能量。与核裂变相比，核聚变能储量更丰富，几乎用之不竭，且干净安全。当星体内部存在巨大压力，核聚变能在约1*10^{7  0}C的高温下完成，太阳内部的核聚变即是如此；而对于地球上压力小得多的情况下，核聚变所需温度达到1*10^{8  0}C以上，美国“国家点火装置”（national ignition facility, NIF）通过激光驱动惯性约束聚变（inertial confinement fusion, ICF）实现这一高温。

激光驱动惯性约束聚变主要是基于氢弹原理，即利用高能激光驱动器在极短时间内将聚变燃料空心微球（靶丸）加热、压缩到高温、高密度，使之在中心“点火”，点燃实现后继核反应实现受控核聚变，从而获得干净聚变能源。作为氘－氚燃料和诊断气体容器，靶丸的设计与制备技术一直是激光惯性约束聚变研究中的核心技术。

靶丸设计一般遵循两方面原则：（１）有利于内爆点火以及相应的实验和诊断；（２）有利于靶丸制备和现场使用。目前几乎所有的靶丸设计首先考虑的材料都为低Z（碳或更低原子序数元素）材料，一般还含有百分之几的含O元素或N元素的化合物。聚变实验研究中，靶丸所用微球直径一般为亚毫米至毫米量级，微球壁厚则一般在微米量级。随着驱动器输出能量的增大，微球直径和壁厚将分别达到厘米量级和毫米量级。

2 靶丸材料体系研究进展

按材料体系分，目前主要的靶丸体系主要包括空心玻璃微球、空心塑料微球、空心Be-Cu微球等。而通过多种内爆程序，如ILESTA（日本大阪大学）、LILAC、ORCHID（美国罗切斯特大学）、LASNEX-1D、LASNEX-2D、、HYDRA（美国劳伦斯里弗莫尔国家实验室）、FCI1、FASTA-2D、2D-FCI2（法国）等，还模拟计算筛选出金刚石、B₄C等极具应用前景的靶丸材料体系。

2.1 空心玻璃微球

高质量的空心玻璃微球（HGM）一直是激光惯性约束聚变实验最广泛采用的靶丸之一，在早期实验过程中，HGM 被广泛采用，国内神光Ⅱ激光装置实验也采用空心玻璃微球靶丸，直径一般100-520μｍ ，壁厚0.8～3.0μｍ ，内充气体有D2，DT 和D2／Ne混合气体，气体最高压力达到１５MPa。

空心玻璃微球的主要缺点包括：（１）它的材料组成中Si，Na及K含量较高，它们的原子序数较大，在内爆压缩过程中容易产生超热电子和引起压缩界面混合，给实验带来很多负面影响；（２）HGM 用作冷冻靶研究时充气时间太长，也不适于用作低温冷冻靶丸；（３）耐高温性能和耐压强度均较低，很难在高温、高压下充气（或燃料），从而加大了实验难度。

2.2 空心塑料微球

空心塑料微球是一种由有机高分子材料制成的聚变靶丸燃料容器。由于空心塑料微球具有材料组成原子序数低等特性，目前在诸多聚变靶型中有逐渐取代空心玻璃微球作为聚变靶丸燃料容器的趋势。空心塑料微球按其构造可分为单层、双层和多层等几类。空心塑料微球的制备方法主要有乳液法、液滴炉法和干凝胶法等。乳液法是应用最广泛的空心玻璃微球制备工艺，目前已实现了直径达2mm 以上的大直径PS空心微球的制备，基本上解决了乳液微封装技术制备空心塑料微球工艺中的不足之处，如微球表面粗糙度、球壁内微泡结构等。

20世纪80年代后期，日本大阪大学率先使用了可直接用于ICF打靶的全氘代聚苯乙烯（氘代率98%）空心微球。我国从1993年正式开始进行聚变靶用空心塑料微球的研制，先后完成了多种制球工艺研究，已成功地制得了聚苯乙烯（PS）、全氘代聚苯乙烯（D-PS）、聚酯等单层塑料空心微球和聚苯乙烯－聚乙烯醇（PS-PVA）等双层塑料空心微球。中国工程物理研究院激光聚变研究中心建立了以氘代苯-d6、氘代醋酸-d4为原料，经酰化、还原、脱水；以及以氘代苯-d6、氘代乙醛-d4为原料，经溴化、格林尼亚反应、脱水等工序的两条合成路线，合成出了氘代率为98.7%、相对分子质量为2.5×10⁶、多分散性指数约为3的DPS。2003年，利用D-PS材料制备的空心微球（直径0.3ｍｍ，壁厚5μｍ），已在神光Ⅱ装置上，采用直接驱动打靶方式，获得了108 中子／发的好结果。中国工程物理研究院激光聚变研究中心还将乳液微封装技术、密度匹配技术和界面缩聚技术相结合，还可以制备出双层塑料微球。目前已能制备直径200～700μｍ，PS层１～１０μｍ，PVA层１～５μｍ 的PS-PVA双层塑料空心微球。

与空心玻璃微球一样，空心塑料微球同样存在耐高温性能和耐压强度均较低，很难在高温、高压下充气（或燃料）的缺点。

2.3　Be-Cu靶丸

为了提高靶丸的耐高温性能和耐压强度，美国劳伦斯里弗莫尔国家实验室和洛斯·阿拉莫斯实验室选用Be作为材料制备了靶丸，之所以选用Be，主要是由于Be的原子序数低（Ｚ＝４），密度较低（1.85g／cm3），在常温下是一种稳定的固体。目前，Be靶丸的制备方法是将Be沉积在半球芯轴上，然后加工成半壳并溶芯轴，再装配成球形壳。同时，在Be靶丸中还可以掺杂少量Cu，Be靶丸中掺杂Cu的作用在于提高靶的流体动力学稳定性和阻止Ｘ 射线穿透最内部的Be层，同时使Be层的密度更加接近于D-T 燃料。

2010年，美国国家点火工程分别对Be靶丸和Be-Cu靶丸进行了激光惯性约束聚变点火实验，使用的靶丸直径为２ｍｍ，经过事先冷冻和“β分层”的D-T燃料通过细石英管导入靶丸内，悬置于圆柱形高Ｚ材料靶室内。实验结果表明，相对于Be靶丸而言，Be-Cu靶丸能量效率明显提高；同时还比较了两组不同的Be-Cu靶丸，Ａ 组靶丸中Cu组分均匀分散，Ｂ组靶丸中Cu掺杂浓度沿靶丸径向变化，结果表明，Ｂ组靶丸可以容忍比Ａ组靶丸大近３倍的内表面粗糙度。