重離子慣性約束核聚變注入器的最新進展

盧 亮，何 濤，楊 磊，邢超超，徐顯波，施龍波，李晨星，孫列鵬，高志超

(1.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.中國科學院大學，北京 100049；3.蘭州大學，甘肅 蘭州 730000)

研究核聚變，從核聚變中提取能量能維持人類持續繁榮，可不斷提高人們的生活水準。20世紀70年代的石油危機嚴重打擊了世界經濟，當時的科學家們提出了3種核聚變方式：重離子慣性約束核聚變(HIF)、激光點火核聚變和磁約束核聚變。與激光點火核聚變相比，HIF和磁約束核聚變雖起步較早，但發展緩慢，尤其是HIF因為設施龐大、建設費用高昂，雖然其能量產出3倍于磁約束核聚變，卻至今沒有任何一個國家立項進行深入研究[1]。HIF的主要制約為：限于20世紀七八十年代的技術，當時提出的前端注入器的數量(16～27個)非常多和長度非常長(超過30 km)，以至于到現在仍沒有一個國家能承受高昂的建設費用。但HIF有其他兩種核聚變方式無可比擬的優點：1) 現有技術就可實現；2) 能量產出比非常高[1]。因此，盡管2008年全球啟動了國際熱核聚變實驗堆(ITER)研究，但仍有不少科學家堅持研發新的加速器技術來推動HIF的發展。

近年來，強流加速器關鍵技術有了3個突破：低能段強流加速器關鍵技術——射頻四極場加速器(RFQ)；超高強流重離子的注入——等離子體直接注入法；超高強流加速器的新結構——單腔多束型加速器[2]。本文介紹單腔多束型RFQ和單腔多束型漂移管加速器(DTL)的設計，基于單腔多束型RFQ進行HIF注入器設計能將復雜的、數量眾多的注入器縮減到1個束線，將長度超過幾十公里的注入器縮減到小于3 km左右，可大幅提高建造的可能性。

1 初期HIF與強流加速的三大突破

HIF的原理是通過強流加速器加速重帶電離子(Pb+或Bi+)到50 MeV/u的能量后，使束流從對稱的多個方向同時照射氘氚球靶，這種方式能很容易地增加等離子體溫度和密度使之達到勞遜判據，進而實現氘氚核聚變的點火。在此過程中氘氚核聚變受氘氚等離子體的約束，故稱此方式為HIF。20世紀七八十年代提出的HIF設計都非常復雜且設備都非常龐大，雖然在技術上可實現，但龐大的設施建設阻止了HIF的進一步發展[2]。

RFQ的概念誕生于前蘇聯，但第1個RFQ是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室于1981年試作并加速成功[2]，這對強流加速尤其是對重離子的強流加速是一重大突破。這是因為RFQ的獨特電極設計能實現在加速束流的同時對束流進行聚束，從而有效地遏制了束流在低能段的強力空間電荷效應。很快基于RFQ的1 GW HIF設施被日本、德國及前蘇聯提出。圖1示出日本提出的1 GW HIF設施HIBLIC的設計。HIBLIC能加速超過400 mA的重離子(Pb+或Bi+)，其中包括了16條長度超過500 m的RFQ。

圖1 1 GW的HIBLIC示意圖Fig.1 Scheme of 1 GW HIBLIC facility

傳統的加速器系統都需在離子源后加上低能傳輸線，以方便對空間電荷效應進行遏制進而實現較高的強流注入和強流加速。而2001年東京工業大學發明的等離子直接注入法(DPIS)直接把激光離子源和RFQ連接，當激光轟擊到靶材時，產生的等離子體依靠自然飄逸進入RFQ，并在進入RFQ的瞬間被引出加速電場俘獲，因等離子體的相對中和效應抑制了空間電荷效應，因此注入RFQ的帶電離子流強要比傳統注入法的高得多。2004年，日本東京工業大學和日本理化學研究所的聯合團隊成功實現了60 mA的C6+離子的加速[3]，注入RFQ的流強超過了數百mA。這次實驗為強流重離子束的產生打下了堅實基礎。

傳統的加速器是一個腔只能加速一個束流，因此對于初期的HIF，想要400 mA的強流重離子只能通過多個注入器加速束流，再在較高的能量(空間電荷效應較弱)段對束流進行合并，從而實現強流加速。而單腔多束型加速器是在一個加速腔內設置多個束流通道，能同時加速多個束流，有效減少了注入器的數量。2010年，日本東京工業大學的服部團隊采用DPIS成功實現了同時加速兩個C2+束流的RFQ，能把兩個54 mA的C2+束流加速到60 keV/u[4]，這是首次實現加速超過百mA量級的重離子加速，有效推動了HIF的發展。圖2示出DPIS示意圖和雙束型RFQ的內部示意圖。

圖2 DPIS(a)和雙束型RFQ(b)示意圖Fig.2 Image of DPIS (a) and 2-beam RFQ (b)

2 HIF注入器的設計

1個100萬kW的HIF聚變核電站需要的束流指標和氘氚小球結構密切相關。如果靶球采用鉛、鋁和氘氚組成的3層低溫中空結構，則靶球相對較大，半徑約為4 mm。此時，如果用4 MJ、15 GeV的Pb離子來引爆靶球，則能產出400 MJ的熱能，每次打靶的峰值流強和峰值粒子數分別為10.7 kA 和 1.7×1015，產生的峰值功率為160 TW。靶前聚集時的粒子動量擴散應≤±1%，束流半徑約為3.2 mm，束流發射度也應<80 πmm·mrad。表1列出HIF注入器的束流指標。

表1 HIF注入器的束流指標Table 1 Beam parameter of HIF driver

圖3是基于DPIS和單腔多束型加速技術的HIF注入器設計示意圖。采用1個高功率激光器，通過分束后把激光分成4束同時轟擊靶材，采用DPIS同時把包含強流重離子的4個等離子體束團注入到1個4束型RFQ后加速至1.2 MeV/u，從4束型RFQ出來的4個束流被兩個漏斗聚束系統合并成兩個束流后被注入到1個2束型DTL(DB-DTL)內并被加速至4.7 MeV/u，之后兩個束流被再次合并并被注入到1個普通的DTL內被加速至更高的能量，之后束流會被多種結構的超導加速器加速到最終需要的50 MeV/u。表2列出1 GW HIF注入器的設計參數。這種基于單腔多束型加速器的HIF注入器設計有效減少了低能段超高強流重離子束的空間電荷效應影響和注入器的長度，尤其是注入器的總長度僅長約2.5 km，相較于20世紀七八十年代的30 km長的注入器，HIF注入器設計大幅降低了設施造價，提高了可建造性。

圖3 HIF注入器設計示意圖Fig.3 Design scheme of HIF driver表2 1 GW HIF 注入器的主要設計參數Table 2 Main design parameter of 1 GW HIF driver

參數參數值4束型RFQDB-DTL單束型DTLHWR超導腔spoke超導腔注入能量,MeV/u0.0050.31.24.710.0輸出能量,MeV/u0.31.24.710.050.0束流強度,mA115220410400400束寬,ms0.50.50.50.50.5束流個數42111脈寬,ms0.5～0.70.5～0.70.5～0.70.5～0.70.5～0.7重復頻率,Hz1010101010相位,(°)-90～-30-45-45-45-45有效場強,MV/m0.232.02.57.09磁場,T/cm1.22.26.06.5電壓,MV0.087(vane)1877286 5108 320平均電壓,kV2854288141 575單元數1 3856561 7028 0005 283總長度,m23194291930925

3 關鍵加速器研究

上述HIF注入器設計中4束型RFQ和DB-DTL設計是關鍵，項目組對此分別進行了樣機參數的計算。

4束型RFQ的設計如圖4所示，包括4套4束型RFQ電極部件。該RFQ設計采用交叉指型(IH)結構，利用了TE111諧振模式。IH結構在低頻段具有較高的功率效率，有望減少4束型RFQ結構的功率損耗。4束型RFQ的設計參數列于表3，其能在3 m長度內把115 mA、3 keV/u的Pb12+或Au12+離子加速到100 keV/u，傳輸效率為97.6%，諧振頻率為40.625 MHz。表3中，r0為平均孔徑，Kp為腔體頻率對應的腔體最大表面場。RFQ出口處的束流如圖5所示。通過Microwave Studio (MWS)模擬計算，該4束型RFQ的高頻功率損耗為380 kW@100 kV，主要熱分布位于其支撐桿上。

圖4 4束型RFQ結構示意圖Fig.4 Scheme of 4-beam RFQ structure

DB-DTL的結構示意圖如圖6所示，該結構和傳統IH-DTL類似，主要的加速結構為漂移管，同時采用較低功率損耗的IH結構和TE111諧振模式。目前DB-DTL正在進行樣機的研發，該樣機采用10個加速間隙，能在1 m長度內把1 mA的質子從560 keV加速到2.5 MeV，諧振頻率為81.25 MHz。表4列出該樣機的參數。該樣機的外觀如圖7所示，目前已完成設計工作。

表3 4束型RFQ的主要參數Table 3 Main parameter of 4-beam RFQ

圖5 4束型RFQ出口處的束流Fig.5 Beam profile of 4-beam RFQ exit cell

圖6 DB-DTL結構示意圖Fig.6 Scheme of DB-DTL structure

參數參數值腔型2束型IH-DTL頻率,MHz81.25 荷質比(A/q)1(H+)注入能量,keV560出口能量,MeV2.5 束流流強,mA1加速單元個數10束孔直徑,mm10 腔體長度,m0.931 腔體直徑,cm700 最大/總間隙電壓,kV387.50/2 556 最大表面場2.3Kp

圖7 DB-DTL樣機結構示意圖Fig.7 Scheme of DB-DTL prototype structure

4 HIF模型裝置設施和將來計劃

雖然強流重離子束流的產生和加速取得了一定突破，但HIF的很多研究都還未展開，如靶的加熱、超高強流的縱向聚束及最后打靶前的聚焦、超高強流束合并的漏斗聚束系統等。項目組提出圖8所示的HIF模型裝置，約需要43億元(0.642 B$)對上述問題及超高功率的束靶耦合等關鍵問題進行研究。相比磁約束核聚變裝置，本裝置經費僅約為ITER經費的1/15。今后項目組會繼續致力于單腔多束型加速器的研發，同時會進行漏斗形聚束器的研究。

圖8 項目組提出的HIF模型裝置示意圖Fig.8 Scheme of proposed HIF demo