重离子惯性约束核聚变注入器的最新进展

卢 亮，何 涛，杨 磊，邢超超，徐显波，施龙波，李晨星，孙列鹏，高志超

(1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000； 2.中国科学院大学，北京 100049；3.兰州大学，甘肃 兰州 730000)

研究核聚变，从核聚变中提取能量能维持人类持续繁荣，可不断提高人们的生活水准。20世纪70年代的石油危机严重打击了世界经济，当时的科学家们提出了3种核聚变方式：重离子惯性约束核聚变(HIF)、激光点火核聚变和磁约束核聚变。与激光点火核聚变相比，HIF和磁约束核聚变虽起步较早，但发展缓慢，尤其是HIF因为设施庞大、建设费用高昂，虽然其能量产出3倍于磁约束核聚变，却至今没有任何一个国家立项进行深入研究[1]。HIF的主要制约为：限于20世纪七八十年代的技术，当时提出的前端注入器的数量(16～27个)非常多和长度非常长(超过30 km)，以至于到现在仍没有一个国家能承受高昂的建设费用。但HIF有其他两种核聚变方式无可比拟的优点：1) 现有技术就可实现；2) 能量产出比非常高[1]。因此，尽管2008年全球启动了国际热核聚变实验堆(ITER)研究，但仍有不少科学家坚持研发新的加速器技术来推动HIF的发展。

近年来，强流加速器关键技术有了3个突破：低能段强流加速器关键技术——射频四极场加速器(RFQ)；超高强流重离子的注入——等离子体直接注入法；超高强流加速器的新结构——单腔多束型加速器[2]。本文介绍单腔多束型RFQ和单腔多束型漂移管加速器(DTL)的设计，基于单腔多束型RFQ进行HIF注入器设计能将复杂的、数量众多的注入器缩减到1个束线，将长度超过几十公里的注入器缩减到小于3 km左右，可大幅提高建造的可能性。

1 初期HIF与强流加速的三大突破

HIF的原理是通过强流加速器加速重带电离子(Pb+或Bi+)到50 MeV/u的能量后，使束流从对称的多个方向同时照射氘氚球靶，这种方式能很容易地增加等离子体温度和密度使之达到劳逊判据，进而实现氘氚核聚变的点火。在此过程中氘氚核聚变受氘氚等离子体的约束，故称此方式为HIF。20世纪七八十年代提出的HIF设计都非常复杂且设备都非常庞大，虽然在技术上可实现，但庞大的设施建设阻止了HIF的进一步发展[2]。

RFQ的概念诞生于前苏联，但第1个RFQ是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室于1981年试作并加速成功[2]，这对强流加速尤其是对重离子的强流加速是一重大突破。这是因为RFQ的独特电极设计能实现在加速束流的同时对束流进行聚束，从而有效地遏制了束流在低能段的强力空间电荷效应。很快基于RFQ的1 GW HIF设施被日本、德国及前苏联提出。图1示出日本提出的1 GW HIF设施HIBLIC的设计。HIBLIC能加速超过400 mA的重离子(Pb+或Bi+)，其中包括了16条长度超过500 m的RFQ。

图1 1 GW的HIBLIC示意图Fig.1 Scheme of 1 GW HIBLIC facility

传统的加速器系统都需在离子源后加上低能传输线，以方便对空间电荷效应进行遏制进而实现较高的强流注入和强流加速。而2001年东京工业大学发明的等离子直接注入法(DPIS)直接把激光离子源和RFQ连接，当激光轰击到靶材时，产生的等离子体依靠自然飘逸进入RFQ，并在进入RFQ的瞬间被引出加速电场俘获，因等离子体的相对中和效应抑制了空间电荷效应，因此注入RFQ的带电离子流强要比传统注入法的高得多。2004年，日本东京工业大学和日本理化学研究所的联合团队成功实现了60 mA的C6+离子的加速[3]，注入RFQ的流强超过了数百mA。这次实验为强流重离子束的产生打下了坚实基础。

传统的加速器是一个腔只能加速一个束流，因此对于初期的HIF，想要400 mA的强流重离子只能通过多个注入器加速束流，再在较高的能量(空间电荷效应较弱)段对束流进行合并，从而实现强流加速。而单腔多束型加速器是在一个加速腔内设置多个束流通道，能同时加速多个束流，有效减少了注入器的数量。2010年，日本东京工业大学的服部团队采用DPIS成功实现了同时加速两个C2+束流的RFQ，能把两个54 mA的C2+束流加速到60 keV/u[4]，这是首次实现加速超过百mA量级的重离子加速，有效推动了HIF的发展。图2示出DPIS示意图和双束型RFQ的内部示意图。

图2 DPIS(a)和双束型RFQ(b)示意图Fig.2 Image of DPIS (a) and 2-beam RFQ (b)

2 HIF注入器的设计

1个100万kW的HIF聚变核电站需要的束流指标和氘氚小球结构密切相关。如果靶球采用铅、铝和氘氚组成的3层低温中空结构，则靶球相对较大，半径约为4 mm。此时，如果用4 MJ、15 GeV的Pb离子来引爆靶球，则能产出400 MJ的热能，每次打靶的峰值流强和峰值粒子数分别为10.7 kA 和 1.7×1015，产生的峰值功率为160 TW。靶前聚集时的粒子动量扩散应≤±1%，束流半径约为3.2 mm，束流发射度也应<80 πmm·mrad。表1列出HIF注入器的束流指标。

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

图3是基于DPIS和单腔多束型加速技术的HIF注入器设计示意图。采用1个高功率激光器，通过分束后把激光分成4束同时轰击靶材，采用DPIS同时把包含强流重离子的4个等离子体束团注入到1个4束型RFQ后加速至1.2 MeV/u，从4束型RFQ出来的4个束流被两个漏斗聚束系统合并成两个束流后被注入到1个2束型DTL(DB-DTL)内并被加速至4.7 MeV/u，之后两个束流被再次合并并被注入到1个普通的DTL内被加速至更高的能量，之后束流会被多种结构的超导加速器加速到最终需要的50 MeV/u。表2列出1 GW HIF注入器的设计参数。这种基于单腔多束型加速器的HIF注入器设计有效减少了低能段超高强流重离子束的空间电荷效应影响和注入器的长度，尤其是注入器的总长度仅长约2.5 km，相较于20世纪七八十年代的30 km长的注入器，HIF注入器设计大幅降低了设施造价，提高了可建造性。

图3 HIF注入器设计示意图Fig.3 Design scheme of HIF driver表2 1 GW HIF 注入器的主要设计参数Table 2 Main design parameter of 1 GW HIF driver

参数参数值4束型RFQDB-DTL单束型DTLHWR超导腔spoke超导腔注入能量,MeV/u0.0050.31.24.710.0输出能量,MeV/u0.31.24.710.050.0束流强度,mA115220410400400束宽,ms0.50.50.50.50.5束流个数42111脉宽,ms0.5～0.70.5～0.70.5～0.70.5～0.70.5～0.7重复频率,Hz1010101010相位,(°)-90～-30-45-45-45-45有效场强,MV/m0.232.02.57.09磁场,T/cm1.22.26.06.5电压,MV0.087(vane)1877286 5108 320平均电压,kV2854288141 575单元数1 3856561 7028 0005 283总长度,m23194291930925

3 关键加速器研究

上述HIF注入器设计中4束型RFQ和DB-DTL设计是关键，项目组对此分别进行了样机参数的计算。

4束型RFQ的设计如图4所示，包括4套4束型RFQ电极部件。该RFQ设计采用交叉指型(IH)结构，利用了TE111谐振模式。IH结构在低频段具有较高的功率效率，有望减少4束型RFQ结构的功率损耗。4束型RFQ的设计参数列于表3，其能在3 m长度内把115 mA、3 keV/u的Pb12+或Au12+离子加速到100 keV/u，传输效率为97.6%，谐振频率为40.625 MHz。表3中，r0为平均孔径，Kp为腔体频率对应的腔体最大表面场。RFQ出口处的束流如图5所示。通过Microwave Studio (MWS)模拟计算，该4束型RFQ的高频功率损耗为380 kW@100 kV，主要热分布位于其支撑杆上。

图4 4束型RFQ结构示意图Fig.4 Scheme of 4-beam RFQ structure

DB-DTL的结构示意图如图6所示，该结构和传统IH-DTL类似，主要的加速结构为漂移管，同时采用较低功率损耗的IH结构和TE111谐振模式。目前DB-DTL正在进行样机的研发，该样机采用10个加速间隙，能在1 m长度内把1 mA的质子从560 keV加速到2.5 MeV，谐振频率为81.25 MHz。表4列出该样机的参数。该样机的外观如图7所示，目前已完成设计工作。

表3 4束型RFQ的主要参数Table 3 Main parameter of 4-beam RFQ

图5 4束型RFQ出口处的束流Fig.5 Beam profile of 4-beam RFQ exit cell

图6 DB-DTL结构示意图Fig.6 Scheme of DB-DTL structure

参数参数值腔型2束型IH-DTL频率,MHz81.25 荷质比(A/q)1(H+)注入能量,keV560出口能量,MeV2.5 束流流强,mA1加速单元个数10束孔直径,mm10 腔体长度,m0.931 腔体直径,cm700 最大/总间隙电压,kV387.50/2 556 最大表面场2.3Kp

图7 DB-DTL样机结构示意图Fig.7 Scheme of DB-DTL prototype structure

4 HIF模型装置设施和将来计划

虽然强流重离子束流的产生和加速取得了一定突破，但HIF的很多研究都还未展开，如靶的加热、超高强流的纵向聚束及最后打靶前的聚焦、超高强流束合并的漏斗聚束系统等。项目组提出图8所示的HIF模型装置，约需要43亿元(0.642 B$)对上述问题及超高功率的束靶耦合等关键问题进行研究。相比磁约束核聚变装置，本装置经费仅约为ITER经费的1/15。今后项目组会继续致力于单腔多束型加速器的研发，同时会进行漏斗形聚束器的研究。

图8 项目组提出的HIF模型装置示意图Fig.8 Scheme of proposed HIF demo