快点火锥壳靶内爆自发光图像数据处理

为研究快点火预压缩过程中导引锥对压缩靶丸芯部辐射对称性的影响,在神光Ⅲ原型上开展了快点火预压缩的自发光测量实验。采集了相同长度黑腔中不同类型靶丸的内爆自发光图像和不同长度黑腔中同类靶丸的内爆自发光图像,利用最小二乘椭圆拟合方法对芯部的自发光半峰值强度等高线进行椭圆拟合,通过椭圆特征来分析靶丸在最强发光时刻的压缩对称性。分析结果表明:导引锥的存在会使发光区域沿着赤道方向拉长,降低了压缩对称性;有锥靶丸在1600μm黑腔内的形变小于在1500μm和1700μm黑腔内的形变,压缩对称性可以通过调整黑腔长度来控制。     

快点火与超强激光等离子体相互作用问题

“快点火”是近年来提出的激光聚变点火的一种新方式。它的特点是靶丸的压缩和点火分开进行：第一步由通常的多束激光对称辐照靶丸获得高密度;而后由单束超强激光（Iλ≈10^18-20Wum^2/cm^2)加热芯部实现点火。第传统的“热斑点火）比较,快点火在压缩方面具有很多优越性：大量节省驱动能量,降低了对驱动均匀性的要求,并且可以达到更高的能量增益。但是超强激光点火却涉及一些非常复杂的问题：在预压缩形成的等郭体中打洞（hole boring);在高密度燃料的边沿产生足够数量的高能量电子（MeV）,这些电子的传输加热等。文章简短地讨论了这些问题,并研究了几十kJ激光能量实现点火的可能性。     

快点火锥壳靶压缩对称性及燃料分布测量实验研究北大核心CSCD

快点火激光惯性约束聚变将压缩与点火过程分开,与中心点火方式相比,大大放宽了对压缩对称性和能量的要求,是国际惯性约束聚变研究的热点方向。在神光Ⅱ装置上开展的快点火锥壳靶预压缩实验中,背光分幅图像显示导引锥及输运丝对靶丸预压缩过程无明显影响,实验结果与一维数值模拟结果吻合也证明了该结论;实验中通过调节导引锥尺寸和相对靶丸的位置,可保证最大压缩时刻导引锥保存完好,这对超热电子的输运以及能量沉积是至关重要的。     

非平衡辐射烧蚀对内爆中子产额的影响

 利用1维多群非平衡辐射输运RDMG程序,对不同能谱分布的辐射场驱动的靶丸的辐射烧蚀过程及中子产额进行了模拟计算,并与实验测量结果进行了初步比较。结果发现,辐射驱动源的能谱平衡性,特别是高能金M带成分对内爆靶丸产生预热效应,降低核燃料区压缩度,电子及离子温度,从而显著降低了中子产额。计算结果表明：中子产额随CH壳厚增加而下降,该变化规律与实验结果基本符合。     

聚变堆与聚变堆材料——D-^3He先进燃料靶惯性约束聚变的燃耗和增益

本文研究采用大功率激光束压缩球形均匀D-^3He先进燃料靶聚变，推导和计算了这种惯性约束聚变（ICF）的靶丸燃耗和增益，数值计算表明，只有在小火花内能和较高惯性约束参数HF近似下，对典型的堆系统效率参数，才有可能使D-^3He靶ICF系统有大的净能量输出。相反，在大火花内能和低HF近似下，D-^3He靶ICF系统几乎不可能得到净的能量输出，从而证明了快点火思维方法的科学依据。     

神光-Ⅱ和神光-Ⅲ原型内爆对称性实验的模型分析

内爆靶丸的X光辐射驱动对称性分析和控制能力演示是惯性约束聚变(ICF)研究最重要的课题之一, 目前国内外已展开许多实验和模拟研究.建立了一种ICF内爆对称性分析的简化模型, 利用该模型分析了神光-Ⅱ和神光-Ⅲ 原型激光装置上的内爆对称性实验. 与实验结果比较表明,计算最佳腔长与实验值基本相符;靶丸压缩变形因子计算结果也与实验测量值接近. 模型的有效性得到验证,可为即将开展的神光-Ⅲ 主机内爆对称性实验参数设计和结果分析提供参考.     

间接驱动快点火锥壳靶锥体材料燃料混合问题研究

与中心点火相比,快点火将压缩和点火过程分开,大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究,利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程,并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据,当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30g/cm3和50mg/cm2;为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题,提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法,实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性,该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。     

Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学

利用Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆是实现惯性约束聚变可能的技术途径之一.聚龙一号装置已开展的动态黑腔实验初步表明形成了有效的动态黑腔辐射场,为驱动靶丸内爆研究奠定了重要基础.针对聚龙一号装置驱动条件,通过建立包含柱形动态黑腔与球形靶丸的柱球耦合物理模型,利用二维辐射磁流体力学程序,对Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学过程进行了数值模拟研究,获得了丝阵等离子体内爆、丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用、冲击波产生和黑腔辐射传输、辐射烧蚀和燃料压缩的完整过程.在此基础上,研究了靶丸赤道面和两极的辐射源均匀性及燃料压缩对称性.结果表明,由于在泡沫转换体中的辐射传输以及黑腔-靶能量耦合过程,靶丸赤道面与两极辐射波形存在一定的时间差和峰值差,造成燃料压缩不对称.若减小靶丸半径,可以提高燃料压缩的对称性,但靶丸半径很小时聚变产额也较低;靶丸半径较大时,由于靶丸赤道面和两极辐射场时间和温度峰值的较大差异,燃料压缩呈现更为明显的不对称性.     

视角因子方法在间接驱动ICF中的应用

采用视角因子方法,对间接驱动惯性约束聚变(ICF)过程中从腔内壁辐射到靶丸表面的辐射进行了计算,并分析了激光原型装置上的一个实验的对称性环境。间接驱动ICF系统的不对称性一般来自于激光焦斑和腔体的几何结构,利用视角因子方法,计算X光能量在腔体内的强度分布,将靶丸表面的驱动对称性表示成腔体结构和激光焦斑几何参数的函数。结果表明,采用该方法的程序模拟能够评估腔靶设计的主要参数。     

多次冲击波压缩DT冰理论研究

 冲击波压缩DT是ICF内爆过程中的主要熵增因素,如何用有限数目的时间整形冲击波实现近等熵压缩过程是优化点火靶设计的关键。利用理想气体和实际DT状态方程,计算系列冲击波压缩后的熵增和密度变化,分析表明,当第一个冲击波压强不大于0.1 TPa,后续再用3个冲击波达到10 TPa,总熵增不影响点火靶DT压缩性能,增加冲击波个数对DT熵增和压缩度改善效果很小。     

Optimum hot electron production with low-density foams for laser fusion by fast ignition

We propose a foam cone-in-shell target design aiming at optimum hot electron production for the fast ignition. A thin low-density foam is proposed to cover the inner tip of a gold cone inserted in a fuel shell. An intense laser is then focused on the foam to generate hot electrons for the fast ignition. Element experiments demonstrate increased laser energy coupling efficiency into hot electrons without increasing the electron temperature and beam divergence with foam coated targets in comparison with solid targets. This may enhance the laser energy deposition in the compressed fuel plasma.     

Transport and Energy Deposition of hot Electrons through the Shock Ignition pre Compressed Target

Shock ignition as an alternative scheme of the laser fusion has the potential of achieving efficient implosion. However, hot electrons produced in result of ignitor‐corona interaction may penetrate deep into the fuel making the compression less effective. Transport and energy deposition of hot electron beam into the dense pre compressed of HiPER target by means of Monte Carlo approach are discussed considering the influence of real density and electron beam characteristics. The target parameters before igniting the hot spot have been extracted from a fluid code and used as the initial profile for Monte Carlo simulations. In comparison with simplified step like density profile, electrons penetrate slightly deeper in the case of real shaped density profile. In addition, deposition zone of a broad spectrum electron beam is wider while, monoenergetic electrons depose their energy locally resulting more maximum energy deposition value. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

激光驱动强流电子束产生和控制

在惯性约束聚变(ICF)电子束快点火物理方案中,需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束,并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一,为深入了解强流电子束产生物理过程,研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序,并开展了大规模数值模拟研究,探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究,介绍了导致束流品质差的两大物理原因:预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因,提出了四种提高强流电子束品质的方法:(1)双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应;(2)输运丝产生环向磁场准直强流电子束;(3)外加磁场导引强流电子束提高耦合效率;(4)抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。     

Fast ignition by detonation in a hydrodynamic flow

A general concept of fast ignition by a hydrodynamic pulse is developed. The main statements of the concept are formulated having in mind the need to ignite the pre-compressed thermonuclear fuel of the inertial confinement fusion (ICF) target. Initially, combustion must be initiated inside the hydrodynamic flow during its action on the target. The conditions for propagating a self-sustaining thermonuclear-detonation wave from an igniter on the thermonuclear fuel of the ICF-target must be provided. For this, the deuterium–tritium (DT) igniter placed in the forward part of the hydrodynamic flow should not only be heated up to thermonuclear temperature, but also compressed to a density close to the density of the ICF-target fuel. It is shown that the detonation of the multilayer conical target (containing DT-ice and a heavy pusher) enables fast ignition of the ICF target fuel of 200–500 g/cm³ density at an implosion velocity of 300–500 km/s.     

强激光与锥型结构靶相互作用准直电子束粒子模拟研究

利用PIC(particle-in-cell)方法模拟研究了超短强激光与锥型三明治结构靶相互作用快电子束的产生和传输,并与锥通道靶、锥丝靶和锥靶在相同激光参数下的作用结果进行了比较.研究发现强激光与锥三明治靶作用产生的快电子能被不同密度材料产生的准静态界面强磁场有效地准直传输.相对其他三种锥型结构靶,锥三明治靶能产生更多数目及更高能量的快电子,提高了激光到快电子的能量转换效率和快电子束的品质,这对快点火能量沉积是有利的.     

电子-离子碰撞对超热电子影响的PIC模拟计算

超热电子-离子的产生和输运在传统的ICF方案和“快点火”方案中都是很重要的问题.讨论了电子-离子碰撞对参量不稳定性产生超热电子的过程和超热电子输运过程的影响.指出电子-离子弱碰撞项的加入增强了碰撞吸收,提高了热电子温度,降低了静电波破裂时的场能.这些改变了超热电子的总能量和分布,使之更集中于静电波的相速;电子-离子碰撞的存在还增强了自洽电场,阻碍了超热电子的输运,同样也是超热电子能量下降的原因之一.同时,为确保计算结果的可靠,讨论了初条件对PIC模拟计算的影响,指出空间位置随机热启动容易引入非物理因素,对 关键词：     

Fusion burning waves in degenerate plasmas

The outcome of fusion burning waves in non-degenerate plasmas is limited by the strength of ion–electron Coulomb collisions and subsequent energy loss mechanisms as electron heat conduction and radiation emission. In this Letter, an analysis is presented on the degeneracy effects in the stopping power of suprathermal charged particles and in the energy transmitted from ions to electrons by Coulomb collision. Main results of this analysis is that very powerful fusion burning waves can be launched into previously compressed degenerate plasmas. This can be specially suitable for proton–boron fusion, but it also applicable to any type of fusion reaction, where ignition can be triggered by an incoming ion beam or another external source of energy deposited in a small fraction of the compressed plasma (fast ignition).     

神光Ⅱ升级装置锥壳靶间接驱动快点火集成实验

在神光Ⅱ升级装置上完成了国际上首次间接驱动快点火集成实验。实验采用双台阶脉冲整形激光注入黑腔产生X射线准等熵压缩锥壳靶,实现了高密度压缩,然后采用皮秒超短脉冲激光注入加热燃料。实验中观测到中子产额由皮秒激光注入前的5×103增加到2.2×105,中子产额增益达到44倍,实验证实了皮秒激光具有明显燃料加热效果。该实验为进一步开展快点火热斑形成效率和相关物理研究奠定了基础。     

Influence of spatial distribution and temporal dynamics of compressed ICF-target parameters on fast ignition efficiency

The fast ignition as, possibly the most efficient method of inertial confinement fusion (ICF) is based on heating a small fusion initiation region (igniter) while the rest of the target is compressed by a compressing driver. We investigate the influence of two factors on the efficiency of fast ignition of ICF-targets. The first factor is the spatial distribution of thermonuclear-fuel parameters formed due to the ICF-target irradiation by the compressing driver. The second one is a mismatch in the time moments of the target maximum compression and the igniter heating by the igniting driver. The main characteristics of fast ignition, namely, the minimum energy of igniter needed to ignite the main ICF-target fuel (ignition energy) and the burn efficiency (ratio between the burnt and initial fuel masses), are investigated in view of numerical simulation. The scale-invariant dependences of the minimum ignition energy E _ig and the burn efficiency are obtained. It is shown that the burn efficiency depends on the spatial heterogeneity of the thermonuclear-fuel parameters much weaker then the ignition energy, but a strong dependence of the burn efficiency on the mismatch in time moments of the maximum compression and ignition is found. In particular, the ignition before the time moment of the maximum compression is more favorable than the ignition at just this moment.