间接驱动的内爆不对称性随腔长和时间变化的研究

在激光间接驱动惯性约束聚变中, 为达到高密度压缩以实现点火, 对靶丸内爆对称性和黑腔辐射场均匀性有严格的要求. 为了研究内爆不对称性随腔长和时间的变化, 实验中采用了三种不同尺寸的黑腔, 利用X光分幅相机观测了靶丸燃料区自发光, 获得了压缩变形过程和椭圆度变化规律, 初步判断了在三种腔型中腔长1700 μm 的黑腔较接近神光Ⅲ原型装置内爆对称性要求. 根据视角因子程序计算得到辐射流不对称性随时间变化情况, 通过一个简化的解析模型推导出内爆形变不对称性随时间变化过程, 与实验结果大致符合. 由此进一步分析了黑腔辐射场不均匀性的演化导致内爆不对称性随腔长和时间变化的物理机制. 关键词： 内爆不对称性 黑腔辐射场不均匀性 腔长 视角因子程序     

神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比对靶丸辐照不均匀度的影响

 讨论了神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比（腔长与直径之比）对靶丸辐照不均匀度的影响。根据神光-Ⅲ主机设计参数,计算了黑腔内侧激光光斑参数。利用视角因子方法,分析了一个简化的双锥环辐照模型下靶丸表面辐照不均匀度随黑腔长径比的变化,讨论了腔壁反照率、内外环激光功率比和光斑移动等因素对最佳长径比和不均匀度的影响。计算表明,合理选择长径比能使靶丸表面辐照不均匀度小于1%,最佳长径比与NIF点火黑腔设计值基本相符。     

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.     

神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比对靶丸辐照不均匀度的影响北大核心CSCD

讨论了神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比(腔长与直径之比)对靶丸辐照不均匀度的影响。根据神光-Ⅲ主机设计参数,计算了黑腔内侧激光光斑参数。利用视角因子方法,分析了一个简化的双锥环辐照模型下靶丸表面辐照不均匀度随黑腔长径比的变化,讨论了腔壁反照率、内外环激光功率比和光斑移动等因素对最佳长径比和不均匀度的影响。计算表明,合理选择长径比能使靶丸表面辐照不均匀度小于1%,最佳长径比与NIF点火黑腔设计值基本相符。     

对流传热对冷冻靶温度影响的数值分析

 利用计算流体力学的程序Fluent,以法国的兆焦激光装置LMJ为原型,研究了惯性约束聚变间接驱动靶中黑腔内填充气体的自然对流传热效应对靶丸温度分布的影响;通过在黑腔内加入聚合薄膜,减小靶表面的温度不均匀性,得到了最佳腔体分隔模式;并在分隔成7个分区的腔体中,结合调整黑腔壁上下冷却环的温度,当两冷却环之间存在±0.5 mK 的温差时,使得靶丸表面的温度均匀性最终能够满足聚变的要求。     

激光间接驱动球形腔新型光路排布方案

针对激光间接驱动装置中的六端注入球形靶腔结构,提出了新型光路排布方案,即单端集束分两环注入(内环注入角度为35°、外环注入角度为55°).为了对激光集束在球形腔壁上的辐照特性进行评价,提出了利用光通量对比度和FOPAI来评价单集束在球腔壁上光斑的均匀性,以及利用离散度和占空比来评价全部集束在球腔壁上光斑分布的均匀性.结果表明,新型光路排布方案与传统光路排布方案相比,集束在腔壁上的辐照特性保持一致,不仅可缓解在激光注入孔处的"堵孔"问题,而且还可避免传统光路排布方案中集束以小角度入射时在腔内传输所导致的复杂交叉重叠问题.新型光路排布方案可为球形腔结构在激光间接驱动装置中的方案设计提供有用参考.     

再发射技术测量SGⅡ黑腔靶早期对称性

利用再发射技术能够有效测量早期辐射驱动对称性。2011年在神光Ⅱ激光装置上,采用Bi替代靶,通过改变靶丸的支撑方式和优化探测器配置,利用分幅相机获得较高信噪比的Bi球表面再发射图像。利用实验结果获得了入射流不对称性P2分量随时间的变化,对比两种腔长的黑腔,P2分量随时间的变化存在明显差别。两种腔P2分量随时间的变化趋势与采用视角因子模拟的结果基本一致。     

点火黑腔等离子体定标关系及350 eV靶黑腔设计

点火黑腔内环激光通道内靠近黑腔壁的区域是内环激光受激拉曼散射(SRS)背向散射产生与发展的主要区域。根据内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡,提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。该定标关系在一定程度上统筹考虑靶丸性能、激光器指标和激光等离子体相互作用(LPI)。在此基础上,根据靶丸抑制流体不稳定的需求,提出了一个350eV点火黑腔设计,该设计可以较好地抑制内环LPI的发展,并对激光器设计提出了更高的要求。     

激光腔靶耦合二维辐射输运数值模拟

间接驱动激光聚变过程中,黑腔内物质处于非局域热动平衡(non-LTE)状态,而且辐射传输具有非平衡、各向异性等特点。为了精确描述黑腔辐射场的演化及其与物质的相互作用,最新研制的激光聚变二维总体LARED集成程序,基于non-LTE的多群辐射输运建模,首次实现了激光黑腔靶实验的全过程数值模拟。数值结果表明,辐射输运计算较好地反映了黑腔辐射场均匀性变化,腔壁光斑区与非光斑区X光发射强度比与实验测量值接近,靶丸压缩形状与实验图像定性一致。     

神光Ⅲ原型黑腔物理实验研究

总结了在神光Ⅲ原型激光装置上开展的一系列黑腔物理实验研究,从多个方面研究了黑腔内部等离子体状态和辐射场特性。用真空黑腔能量学研究获得了散射光、辐射温度和不同能段辐射流份额的定标规律,从能量学角度梳理和分析了整个激光黑腔相互作用过程。通过对黑腔中充入低密度低Z气体抑制了腔壁等离子体运动,明显减少了可能造成靶丸预热的金M带辐射流(1.6~4.4keV)份额。针对黑腔内部不同区域等离子体,研究了光斑区等离子体的运动,分析了其与电子热传导限流因子的关系;研究了冕区等离子体的运动,分析了不同充气等离子体条件对其的影响;在同一发次实验中同时测量了光斑区与再发射区的辐射流比值。     

神光Ⅲ主机装置首次间接驱动内爆集成实验

基于新建成的神光Ⅲ主机装置开展了首次激光间接驱动内爆集成实验。国内首次采用多环脉冲整形激光注入黑腔产生X光辐射驱动内爆,通过优化激光打靶参数控制驱动不对称性,演示了以惯性压缩为主、收缩比约15倍的DT靶丸内爆实验能力, 实现了准一维的高静产额(YOC)和高中子产额的物理指标;其中,真空黑腔DT靶丸最高中子产额为1.91012,YOC达到60%;充气黑腔DT靶丸最高中子产额为2.41012,YOC大约70%。该实验为未来开展多台阶整形辐射驱动、更高倍数收缩比的高压缩内爆综合实验、验证点火靶物理设计和关键调控措施有效性奠定了基础。     

嵌入硬泡沫层和靶丸的Z箍缩动态黑腔动力学行为及其辐射场模拟研究

利用自行开发的二维辐射磁流体力学程序,模拟研究在软泡沫柱外嵌套硬泡沫层、中心嵌套结构靶丸的动态黑腔整体动力学行为和热力学性能,以发现硬泡沫层对动态黑腔辐射场的影响和调制作用,以及腔靶耦合相互作用规律。对峰值50 MA、全上升时间300 ns的驱动电流,模拟结果的比较分析表明,嵌套硬泡沫层后靶丸感受到的辐射场温度开始升高时刻延后,辐射均匀更迅速,辐射温度第一峰下降,变化更顺滑,黑腔存在时间变长,达到10 ns以上,后期辐射温度大于350 eV,波形与美国靶丸点火成功实验中的黑腔辐射温度变化曲线比较接近;与没有靶丸的动态黑腔的相同区域辐射温度相比较,嵌入靶丸后,靶丸在烧蚀后期感受到的辐射驱动温度增加。故嵌套硬泡沫层和腔靶耦合都有益于聚变靶丸的烧蚀内爆。     

嵌入硬泡沫层和靶丸的Z箍缩动态黑腔动力学行为及其辐射场模拟研究

利用自行开发的二维辐射磁流体力学程序,模拟研究在软泡沫柱外嵌套硬泡沫层、中心嵌套结构靶丸的动态黑腔整体动力学行为和热力学性能,以发现硬泡沫层对动态黑腔辐射场的影响和调制作用,以及腔靶耦合相互作用规律。对峰值50 MA、全上升时间300 ns的驱动电流,模拟结果的比较分析表明,嵌套硬泡沫层后靶丸感受到的辐射场温度开始升高时刻延后,辐射均匀更迅速,辐射温度第一峰下降,变化更顺滑,黑腔存在时间变长,达到10 ns以上,后期辐射温度大于350 eV,波形与美国靶丸点火成功实验中的黑腔辐射温度变化曲线比较接近;与没有靶丸的动态黑腔的相同区域辐射温度相比较,嵌入靶丸后,靶丸在烧蚀后期感受到的辐射驱动温度增加。故嵌套硬泡沫层和腔靶耦合都有益于聚变靶丸的烧蚀内爆。     

激光间接驱动聚变柱形腔靶内壁光斑参数计算

 用几何光学计算了柱形腔壁上的激光光斑参数, 包括光斑的位置、形状、大小以及光斑内的光强分布, 同时还计算了在激光注入孔的光斑参数, 这对分析靶丸的初始辐射均匀性、确定腔壁上的辐照强度大小和判断能否将激光有效地注入腔内都是非常重要的。     

点火黑腔二维模拟设计

基于二维激光靶耦合流体力学程序,研究设计惯性约束聚变间接驱动点火黑腔的方法.提出先调控X射线驱动温度再调控辐照均匀性的设计顺序.给出总激光功率(特别是主脉冲激光功率)的设计方法.模拟表明,填充气体密度的上限受到槽脉冲P²辐照不均匀性的限制.另外,增加腔长可以抑制靶丸烧蚀层物质的膨胀.最后给出点火黑腔二维设计结果.     

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。     

引入守恒格式的自相似解进行ICF辐射驱动时变对称性分析

引入守恒格式的自相似解计算黑腔X射线能流时空分布,通过视角因子方法计算靶丸表面入射能流分布,从而进行惯性约束聚变辐射驱动时变对称性分析。分析了光斑运动、激光脉冲波形及靶丸装配偏差对靶丸辐照均匀性的影响。以二阶分量时间积分值为优化目标,最佳腔长计算值与内爆对称性调节实验结果相符,内爆腔靶组合参数扫描得到的最佳长径比与NIF目前实验值相当,模型有效性得到验证。     

半腔靶辐射场研究中M带X光角分布测量

 在“神光Ⅱ”实验条件下，通过在半腔靶底部开大约200μm的小孔来模拟测量内爆靶丸附近的M带X光发射的角分布。介绍了实验中采用的诊断方法和实验方法，并给出了典型的实验结果。实验结果表明从半腔靶漏口所开200μm的小孔出射的M带X光不遵从cosθ分布。实验结果有助于对黑腔物理图像的理解，并为内爆实验设计提供实验依据。     

腔靶X光空间特性研究

本文介绍了腔靶X光空间成像原理和方法。在国内,首次将MCP(微通道板)光电成像器件应用于激光聚变实验,将X射线测量能区扩展到亚千电子伏范围。实验中利用各种黑体腔靶,通过测量腔靶X光空间发射图象,得到了腔靶激光注入孔和腔内都存在着等离子体会聚机制,以及腔内X光发射以腔壁为主等重要信息,观察到腔靶X光输运通道存在着“堵口”现象,对测量结果进行了物理解释。     

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。