惯性-磁约束聚变点火的理论机制研究

面对传统热核聚变途径如何在经费上更节省、工期上更用时缩短及规模上更小型紧凑的急迫需求，将惯性约束与磁约束聚变中各自的优点结合起来或许是一种有效的解决问题的方法。由此催生并且取得诸如美国海军实验室的Φ装置、洛斯阿拉莫斯实验室的MTF装置、罗切斯特大学的M-I 激光内爆装置、圣地亚实验室的MagIF概念装置及俄罗斯的MAGO装置等实验上的新进展，同时分别在理论研究上也取得了阶段性成果。这些装置属于新的惯性-磁约束聚变途径，具有内嵌磁场减少热传导及增强α粒子能量沉积的共同特点。本项目拟对这些可能具有实质商用价值的聚变途径中所涉及的共同物理过程及特征进行研究，初步建立惯性-磁约束聚变的统一描述理论，重点研究内嵌强磁场特性和高密金属材料惯性对靶整体内爆、压缩、升温及点火的协同作用。通过本项目的研究，预期结果不仅能对传统聚变途径提供重要理论补充，还能从理论上对惯性-磁约束聚变新途径点火可能性进行判断。

将惯性约束聚变和磁约束聚变结合在一起形成所谓的“惯性磁约束聚变”（Magneto-Inertial Fusion）被公认为实现聚变能源的一条新的研究途径，近年来国际上对此条途径极为重视，由此掀起了新一轮的聚变能源研究热潮。在过去的四年内，国际学术界在此领域取得了实质性的进展：美国圣地亚国家实验室采用MagLiF方法证实了惯性磁约束聚变途径取得点火的理论及技术可行性，三阿尔法公司将融合后的反常构型高温磁化等离子体靶（FRC）寿命提高到约五毫秒的破纪录时间，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室与空军实验室取得FRC密度约为十的十七次方每立方厘米的最好数值，并进行了首轮内爆压缩整合实验。在此国际背景下、在国家自然科学基金委的大力支持下，本项目应运而生，在过去四年内取得了一系列重要研究结果，一是通过简化物理模型分析以及研制的一维辐射磁流体力学程序的计算结果，从理论上初步判断此条聚变途径实现点火的理论可行性；其次是在国内首次研制成功描述高温磁化等离子体FRC形成过程的数值模拟工具MPF-2D，并在国内首台产生高温磁化等离子体FRC靶的装置“荧光1号”的优化设计和FRC形成实验结果分析中发挥了很好的作用；三是配合实验,创造了用于减少热传导以及增加alpha粒子能量沉积所需的以上1400特斯拉的国内最高记录,理论及模拟结果与实验结果十分吻合，这使我国步入了世界最先进的为数不多的几个超强磁场俱乐部成员之一。在本项目实施的同时，还在中物院形成了一支专业精干的惯性磁约束研究队伍，带动了全国部分院所在惯性磁约束聚变领域开展了相关研究工作，筹划组织召开了两届国内关于惯性磁约束聚变相关研究的国内专题讨论会。本项目所取得的部分成果将为在我国进一步开展非传统核聚变研究以及进一步开展惯性磁约束聚变点火物理相关研究工作，奠定了一定的理论及数值模拟基础。