背景技術(shù)：
迄今可控核聚變已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展^[3]，但還沒有實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)可控核聚變需要滿足勞遜判據(jù)。勞遜判據(jù)的一個(gè)實(shí)質(zhì)是兩個(gè)核子之間的距離必須小于強(qiáng)作用半徑。這意味著核子的動(dòng)能及相應(yīng)的溫度必須足夠高，以便克服兩個(gè)核子之間的靜電排斥勢能。氘、氚聚變點(diǎn)火溫度是10⁸K左右。

利用電子-激光背散射已經(jīng)產(chǎn)生了伽瑪射線。利用扭擺磁場中電子-激光背散射產(chǎn)生波長連續(xù)可調(diào)的伽瑪激光方案也已經(jīng)提出^[1][2]。本文基于這些實(shí)驗(yàn)與理論，提出一個(gè)利用伽瑪激光或伽碼射線實(shí)現(xiàn)可控核聚變的方案，其要點(diǎn)是利用伽瑪激光或伽瑪射線輻照靶球，使靶球中的核處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的靶核散射截面增大，在較低溫度實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火。

研究內(nèi)容

這種利用伽碼激光或伽碼射線實(shí)現(xiàn)可控核聚變的方法與裝置，其第一個(gè)特征在于，這種核聚變裝置由伽碼激光或伽碼射線產(chǎn)生裝置，波長在可見光到X-光范圍內(nèi)的普通激光產(chǎn)生裝置構(gòu)成；參與聚變的原子核有A、B兩種核，至少其中一種原子核有激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)之一有相對(duì)較高的能量與相對(duì)較長的壽命，聚變原子做成靶球；伽碼激光或伽碼射線產(chǎn)生裝置和普通激光產(chǎn)生裝置分別對(duì)稱地安置在靶球周圍，伽碼激光或伽碼射線和普通激光分別對(duì)稱地同時(shí)輻照靶球；伽碼光子能量滿足

E_γi＝hω_γi＝E_ei-E_oi+(E_ei-E_oi)²/2m_ic²，i＝A、B， (1)

式中E_ei、E_oi和m_i分別是在靜止?fàn)顟B(tài)的第i種核的一個(gè)激發(fā)態(tài)能量、基態(tài)能量和核的質(zhì)量，吸收了相應(yīng)伽碼光子的核子處于激發(fā)態(tài)；選取伽碼激光或伽碼射線的強(qiáng)度，使得

k＝n_θ/n₀，＞＞1， (2)

式中，n_e與n₀分別是處于激發(fā)態(tài)的核子數(shù)與處于基態(tài)的核子數(shù)；與第i種原子相應(yīng)的普通激光的光子能量等于或略大于將這種原子主量子數(shù)n＝1能級(jí)上的電子電離所需要的能量，用普通激光加熱靶球，使得靶球變?yōu)橛杉ぐl(fā)態(tài)靶核、基態(tài)靶核及電子構(gòu)成的等離子體，并將這一等離子體加溫到A、B兩種處于激發(fā)態(tài)的靶核能夠進(jìn)行聚變反應(yīng)的溫度T_eF，普通激光也對(duì)這一等離子體作慣性約束，使得離子與電子不能從所約束的范圍逃逸出去；在慣性約束等離子 體期間，伽碼激光或伽碼射線始終輻照著這一等離子體，使得在此期間(2)及溫度T_eF保持，從而發(fā)生聚變反應(yīng)。

兩個(gè)核能級(jí)的能量差在MeV量級(jí)，也就是在伽碼光子能量范圍，因此需用伽碼光才能將核激發(fā)到激發(fā)態(tài)。

處于激發(fā)態(tài)靶核的聚變點(diǎn)火溫度將更低、散射截面將更大。這是由于以下原因：

A.激發(fā)態(tài)核的最外層核子到核中心的距離大于基態(tài)核的最外層核子到核中心的距離。

由于核物質(zhì)幾乎是不可壓縮的，激發(fā)態(tài)核的體積可以看作等同于基態(tài)核的體積。雖然核體積不變，但其形狀可變。按核結(jié)構(gòu)的殼層模型及考慮到核集體運(yùn)動(dòng)的形變核結(jié)構(gòu)殼層模型，由于激發(fā)態(tài)核的外層核子對(duì)閉殼層核子的拉伸作用，導(dǎo)致原來球形基態(tài)核變?yōu)闄E球形激發(fā)態(tài)核；原來長、短軸之比較小的橢球形基態(tài)核變?yōu)殚L、短軸之比更大的橢球形激發(fā)態(tài)核。如此，激發(fā)態(tài)核的最外層核子到核中心的距離大于基態(tài)核的最外層核子到核中心的距離。

B.激發(fā)態(tài)核可在較低溫度實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)

為簡單確切，取A核為多核子構(gòu)成的核，而B核為質(zhì)子。A核基態(tài)的電荷(質(zhì)子)分布形狀為球形，半徑為r_0A；A核的一個(gè)激發(fā)態(tài)的質(zhì)子分布形狀為橢球，其長軸為r_eA；由上所述，必然有r_eA＞r_0A。核子之間有通過交換虛π介子的強(qiáng)作用，是吸引勢，設(shè)其半徑為R₀’。很多核的最外層是中子。對(duì)于基態(tài)核，這種核的強(qiáng)作用半徑大于r_eA+R′₀，設(shè)為r_0A+R₀；對(duì)于激發(fā)態(tài)核，這種核的強(qiáng)作用到核心的距離大于r_eA+R′₀。激發(fā)態(tài)核與基態(tài)核的中子分布可看作近似相同，這樣，這個(gè)距離可近似取為r_eA+R₀。

當(dāng)質(zhì)子p與基態(tài)A核中心距離大于r_0A+R₀，或質(zhì)子p與激發(fā)態(tài)A核中心在長軸方向的距離大于r_eA+R₀時(shí)，質(zhì)子p與A核只有靜電排斥作用。當(dāng)質(zhì)子p與基態(tài)A核中心距離小于r_0A+R₀，或質(zhì)子p與激發(fā)態(tài)A核中心在長軸方向的距離小于r_eA+R₀時(shí)，質(zhì)子p與A核有交換π介子的吸引作用，并發(fā)生聚變反應(yīng)。

A核與質(zhì)子的靜電作用勢能是V_Ap＝Q_Aq/r_Ap。Q_A、q分別A核和是質(zhì)子電荷。設(shè)

V_0Ap＝Q_Aq/(r_0A+R₀)，V_eAp＝Q_Aq/(r_eA+R₀)， (3)

則V_0Ap是基態(tài)A核與質(zhì)子的靜電作用勢能，也是A核與質(zhì)子實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)的最小動(dòng)能；V_eAp是激發(fā)態(tài)A核與質(zhì)子在長軸方向的靜電作用勢能，也是激發(fā)態(tài)A核與質(zhì)子實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)的最小動(dòng) 能。因?yàn)?r_eA+R₀)＞(r_0A+R₀)，所以必然有

V_eAp＜V_0Ap，T_eF＜T_0F. (4)

這里質(zhì)子的動(dòng)能就是A核、質(zhì)子與電子等離子體中A核與質(zhì)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。因此，由V_eAp＜V_0Ap可確定處于激發(fā)態(tài)的A核與質(zhì)子實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的溫度T_eF將低于處于基態(tài)的A核實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的溫度T_F。

C.激發(fā)態(tài)核散射截面大于激發(fā)態(tài)核散射截面

容易看出，處于激發(fā)態(tài)的A核與質(zhì)子的散射截面將大于處于基態(tài)A核與質(zhì)子的散射截面。設(shè)σ_0Ap和σ_eAp分別是處于激發(fā)態(tài)的A核與質(zhì)子的散射截面和處于基態(tài)A核與質(zhì)子的散射截面，由(3)容易看出，必然有

σ_eAp/σ_0Ap≈(r_eA+R₀)²/(r_0A+R₀)²＞1. (5)

由于聚變反應(yīng)能在等離子體較低溫度實(shí)現(xiàn)，因此更容易約束等離子體，延長約束時(shí)間τ?？梢?，按上述方法，nτ可以增大，勞遜判據(jù)更容易達(dá)到，從而聚變點(diǎn)火更容易實(shí)現(xiàn)。顯然，將質(zhì)子p代換為處于激發(fā)態(tài)或基態(tài)的B種核，以上結(jié)論定性上仍然成立。

這種可控核聚變的方法與裝置，其第二個(gè)特征在于，在靶球兩側(cè)對(duì)稱地安置相同功率的脈沖激光發(fā)生裝置，這兩個(gè)裝置產(chǎn)生的脈沖激光依次周期性地輻照靶球被加溫后形成的等離子體，利用激光尾波加速電子及A、B兩種質(zhì)量不同的離子，兩種離子由于速度不同而發(fā)生對(duì)撞和聚變反應(yīng)。

由于伽碼激光或伽碼射線及普通激光輻照，靶球變?yōu)橛商幱诩ぐl(fā)態(tài)的A核、B核與電子構(gòu)成的等離子體。例如，由處于激發(fā)態(tài)的¹¹B^*、質(zhì)子p與電子構(gòu)成的等離子體。由于脈沖激光尾波對(duì)粒子的加速作用，處于激發(fā)態(tài)的A核、B核與電子動(dòng)能增大，彼此碰撞、溫度升高。在這個(gè)過程中，雖然A核、B核都帶有正電荷，加速度的方向同一，但由于其質(zhì)量相差很大，例如¹¹B^*的質(zhì)量是p質(zhì)量10多倍，因此兩者加速度必然相差很大；而且由于兩個(gè)相反方向脈沖激光的依次作用，離子加速度方向周期性的變換，處于激發(fā)態(tài)的A核、B核(如¹¹B^*與p)必將對(duì)撞，引起激發(fā)態(tài)A核、B核發(fā)生聚變反應(yīng)。

這種可控核聚變的方法與裝置，其第三個(gè)特征在于，靶球加溫后形成的等離子體被磁場約束，用前面所述的伽碼激光或伽碼射線及普通激光輻照這個(gè)等離子體，并用前述的激光尾波加速其中離子，從而實(shí)現(xiàn)A、B兩種離子的聚變反應(yīng)。

不用慣性約束，用磁約束(例如托克馬克磁約束裝置)也可以實(shí)現(xiàn)這種方式的核聚變點(diǎn) 火。磁約束的技術(shù)是很成熟的，激光尾波對(duì)離子加速效應(yīng)也已經(jīng)被多個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，也已經(jīng)應(yīng)用。因此這種方式核聚變點(diǎn)火是可能的。

這種可控核聚變的方法與裝置，其第四個(gè)特征在于，靶球僅由A種原子構(gòu)成，而B種原子的原子核可以是沒有激發(fā)態(tài)的核或單核子，當(dāng)這個(gè)靶球由于伽碼激光或伽碼射線及普通激光的輻照處于等離子體態(tài)，且溫度達(dá)到激發(fā)態(tài)的A核與B核聚變反應(yīng)的溫度T_eF時(shí)，將B種原子電離后的B核加速到與溫度T_eF一致的速度，并入射到等離子體中，從而實(shí)現(xiàn)激發(fā)態(tài)的A核與B核的聚變反應(yīng)。

這個(gè)方式的好處是減少靶球中的粒子種類與數(shù)目，從而更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)激發(fā)態(tài)核等離子體的約束。因?yàn)?，此時(shí)粒子數(shù)量少，而且只要用一種針對(duì)單一靶核的普通激光就能實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的約束。

這種可控核聚變的方法與裝置，其第五個(gè)特征在于，前面四個(gè)特征所述的靶球，它是由一種或多種、其中硼原子核為¹¹B的硼烷分子(如¹¹B₁₀H₁₄)構(gòu)成，這樣相應(yīng)的等離子體就由激發(fā)態(tài)硼核¹¹B^*、¹H(即質(zhì)子p)、和電子構(gòu)成；第二種靶球的配方是，這種靶球僅由鈹原子核為⁹Be的鈹原子構(gòu)成，即A種核是⁹Be，而B種核是³He，當(dāng)這由激發(fā)態(tài)⁹Be^*與電子構(gòu)成的等離子體等達(dá)到¹¹B^*與³He能進(jìn)行聚變反應(yīng)的溫度T_eF時(shí)，³He以與溫度T_eF相一致的速度入射到這個(gè)等離子體中，從而實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。

可用¹¹B+p反應(yīng)說明這種可控核聚變方法的特點(diǎn)。存在如下核反應(yīng)^[4]，

¹¹B+p→¹²C*→¹²C+γ+E″，⁸Be+α+E′，3α+E， (6)

¹¹B+p→¹¹C+n，¹⁰B+d，¹¹B+p， (7)

式中¹²C*是一個(gè)中間態(tài)或一個(gè)¹²C的激發(fā)態(tài)，E′和E是核反應(yīng)釋放的能量。當(dāng)入射質(zhì)子的動(dòng)能E_p＜3MeV時(shí)^[5]，

¹¹B+p→3α+8.7MeV. (8)

在這個(gè)反應(yīng)中，沒有中子產(chǎn)生，因此是一個(gè)干凈的聚變能源。但這個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)截面比氘、氚反應(yīng)截面小，點(diǎn)火溫度比氘、氚點(diǎn)火溫度高。為了克服這兩個(gè)缺點(diǎn)，用伽瑪激光或伽瑪射線輻照¹¹B靶球。¹¹B的一個(gè)激發(fā)態(tài)1¹B^*的能量是E_eB＝2.124639MeV(設(shè)基態(tài)能量E_0B＝0)，壽命是3.8fs，自旋及宇稱是(1/2)^-[4]。將¹¹B激發(fā)到這個(gè)能級(jí)的相應(yīng)光子能量是

¹¹B基態(tài)的自旋及宇稱是(3/2)^-。E_0B→E_eB躍遷是通過¹¹B的磁偶極子實(shí)現(xiàn)^[4]。

以能量為

的質(zhì)子撞擊處于激發(fā)態(tài)¹¹B^*核時(shí)，有類似于(8)的反應(yīng)，

¹¹B^*+p→3α+E. (11)

(11)中末態(tài)粒子與(8)末態(tài)粒子相同。由(10)可見，¹¹B^*+p.的聚變反應(yīng)溫度顯著低于的聚變反應(yīng)溫度，而其反應(yīng)截面大于¹¹B+p的反應(yīng)截面。

當(dāng)E_p＜3MeV或時(shí)，反應(yīng)(7)不出現(xiàn)^[4]，因此是干凈的。

附圖說明圖1是基于伽碼激光或伽碼射線的可控核聚變方法與裝置示意圖。途中1是靶球；2是輻射伽碼激光或伽碼射線裝置；3是輻射普通激光裝置；4是周期性輻射脈沖激光裝置。

具體實(shí)現(xiàn)方式

靶球由0.3克¹¹B₁₀H₁₄硼烷分子制作；¹¹B的一個(gè)激發(fā)態(tài)¹¹B^*的能量是E_eB＝2.124639MeV(設(shè)基態(tài)能量E_0B＝0)，壽命是3.8fs，自旋及宇稱是(1/2)^-[4]。將¹¹B激發(fā)到這個(gè)激發(fā)態(tài)的伽碼射線中光子能量為

式中m_B是¹¹B的質(zhì)量。普通激光光子能量略大于將原子¹¹B主量子數(shù)n＝1能級(jí)上的電子電離的能量，可取為紫外激光。將分別與這種伽碼光子和普通光子相應(yīng)頻率的36束伽碼射線和192束普通激光發(fā)生裝置對(duì)稱地安置在靶球周圍。每束伽碼射線光強(qiáng)10瓦，每束普通激光光強(qiáng)3瓦。將這些束伽碼射線這些束普通激光同時(shí)輻照靶球，靶球?qū)⒆優(yōu)榧ぐl(fā)態(tài)¹¹B^*、¹H及電子的等離子體，當(dāng)這個(gè)等離子體溫度升高到10⁸K時(shí)，繼續(xù)這個(gè)過程，使得這個(gè)溫度保持1ms，使得勞遜判據(jù)得以滿足，實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火。

參考文獻(xiàn)

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