激光间接驱动惯性约束聚变内爆物理实验研究

激光间接驱动惯性约束聚变利用辐射烧蚀驱动靶丸球形内爆,在减速阶段将内爆动能转化成热斑内能,同时压缩燃料,达到点火条件,实现聚变点火。根据目前认识,影响内爆压缩过程的主要因素包括内爆对称性、燃料熵增因子、内爆速度和混合。内爆物理实验研究的目的是发展对上述影响因素的实验表征方法,获取这些影响因素随靶设计参数的变化规律,建立相应的实验调控能力,最终达到不断提升内爆性能的目的。为此,在内爆对称性方面,开展了Bi球自发光实验,用于研究点火脉冲前2ns驱动不对称性;在内爆速度方面,开展了球面弯晶单能流线实验,测量得到内爆速度和剩余质量随时间的变化;在混合方面,开展了内壳层示踪涂层内爆混合实验,测量得到环形发光图像。为考察综合内爆性能,在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上开展了DT内爆实验,获得了中子产额随初始靶参数的变化规律。     

神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量

间接驱动惯性约束聚变研究中，获得高内爆速度是实现点火，提升聚变增益的关键。通过对内爆烧蚀压缩过程的测量，能够获得内爆速度和剩余质量等内爆动力学重要的物理量，实现烧蚀层材料、厚度以及激光波形等参数的优化。近几年在神光系列装置上，演示了常规的应用狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量技术，发展了基于球面弯晶成像的高分辨单能内爆烧蚀压缩过程测量技术。通过对球面弯晶成像系统设计的持续改进以及内爆烧蚀压缩过程测量技术的优化，结合实验室和系统原位标定结果，建立了高分辨的内爆压缩流线诊断技术，采用替代靶方式，实现内了爆速度不确定度2.1%的测量精度。     

“神光”-Ⅱ内爆动力学研究进展

在2004年的“神光”-Ⅱ内爆实验中，设计了球壳内界面涂S、且氘燃料区中掺Ar的辐射驱动内爆靶球（图1），实验排布如图2所示：针孔阵列一晶体谱仪（PA--CS）置于正西水平方向；正东水平方向放置时间分辨的晶体谱仪（扫描晶体谱仪S—CS），测量靶球内爆中心和S线谱发射的时间过程；正南水平方向放置一台针孔阵列—X射线分幅相机（XFC），监测靶丸内爆压缩发光图像；闪烁体探测器在靶室外东南方向监测内爆中子产额：软X光能谱仪在水平东偏北方向监测腔内辐射温度。由数千个针孔组成的针孔阵列和平面晶体组成的二维单色成像系统的测量原理如图3所示。     

小收缩比内爆实验初步研究

在神光III原型装置上,利用8路激光间接驱动充高气压DT靶丸,开展小收缩比内爆实验.实验中测量得到中子产额、离子温度、聚变反应速率峰值时刻(bangtime)等关键物理量,以及它们随烧蚀层厚度变化的规律.从定性和定量两个方面对实验结果进行了分析讨论,推测流体力学不稳定性和内爆不对称性是导致实验结果与一维辐射流体计算结果不一致的原因.     

点火靶高熵内爆的数值模拟

使用一维多群输运程序RDMG与二维少群扩散程序LARED-S对点火靶高脚与低脚内爆进行数值模拟.相对于低熵内爆,高脚高熵内爆通过提高预脉冲的辐射温度使得烧蚀面与物质界面的流体稳定性得到明显的改善,能够抑制流体不稳定的增长与热斑混合的发展.同时,高熵设计导致燃料的压缩变差,阻滞时刻燃料的压缩密度与面密度相应降低,中子产额降低.因此,高脚高熵内爆是通过牺牲燃料的高压缩,来换取靶丸内爆流体稳定性能的改善.     

基于多质点模型的准球形丝阵参数优化研究

基于多质点薄壳模型对准球形丝阵负载参数进行优化,使得终态等离子体具有预期的内爆特性。通过对丝阵初始位形优化,可以获得期望的终态等离子体壳纵横比,并且终态纵横比对负载初始质量变化不敏感。对于固定电流波形(峰值1.2 MA、上升时间80ns),优化计算了初始丝长度15.4mm的丝阵线质量。结果表明,当丝阵初始线质量约为150μg/cm时,赤道半径为2mm、纵横比为1的终态等离子体壳具有最大动能1.5kJ。同时,还针对不同幅度及上升时间的电流进行优化计算,计算结果表明终态等离子体壳的优化的最高动能与电流峰值平方成正比,与最高动能相应的线质量与电流上升时间平方成正比。     

内爆腔X光发射机制研究

介绍了首次利用三台亚千X光能谱仪和一台针孔相机研究腔靶内爆区X光发射机制,实验结果表明内爆区X光发射主要是壁X光面发射。     

Z箍缩内爆产生的电磁脉冲辐射

讨论了Z箍缩内爆产生的低频电磁脉冲的辐射特性. Z箍缩驱动金属丝阵或固体套筒高速内爆,部分磁能通过与负载的运动耦合而向外辐射. 理论结果表明,电磁脉冲辐射功率由电流和内爆轨迹共同决定. 在中国工程物理研究院流体物理研究所的初级实验平台上开展了负载电流为7 MA,10%–90%上升时间65 ns的丝阵Z箍缩实验,根据实验测得的电流和内爆轨迹得到了电磁脉冲的辐射功率和频谱. 电磁脉冲峰值功率约为1 GW,能量约为0.5 J,能量转换效率约为10^-7;峰值频率位于20–70 MHz,具有较宽的辐射频谱. 电磁脉冲辐射参数远小于软X射线辐射参数（峰值功率为50 TW,能量为0.5 MJ）. 在弱相对论条件下,电磁脉冲辐射功率近似地正比于电流的6次方,随电流急剧增大. 软X射线辐射是丝阵Z箍缩过程中的主要能量转换形式,本文的研究结论表明,在更高的驱动电流下,电磁脉冲辐射将提供另一种重要的能量转换途径,势必会对诊断设备造成严重影响;此外,这类强电磁脉冲在其他领域也具有潜在的应用价值. 关键词： Z箍缩 内爆 电磁脉冲     

电流脉冲前沿对电磁驱动固体套筒内爆的影响

固体套筒内爆是采用实验方法研究高能量密度状态下的材料力学性能的重要加载手段之一,国内已经建立起若干开展电磁内爆研究的驱动器。从电流脉冲前沿对固体套筒内爆性能影响的角度进行分析,为如何选择现有的实验装置开展固体套筒内爆实验研究提供依据。采用不可压缩零维模型进行计算,获得了套筒内爆速度受套筒尺寸、电流幅值以及电流脉冲前沿的影响情况。计算结果表明,开展固体套筒内爆的实验研究应选择电流脉冲前沿大于2 s的装置,这也为未来设计驱动能力更强的固体套筒内爆实验装置奠定了基础。     

激光聚变爆推靶内爆区空间分布的测量

采用具有高空间分辨本领的Fresnel波带板编码成象技术对爆推靶内爆区发射的α粒子进行成象,在最近的“神光Ⅱ”(SGⅡ)上实验中获得了爆推靶内爆区的空间分布、大小、压缩比等重要信息.Fresnel波带板编码成象技术的空间分辨率好于10μm.实验测得内爆区大小约为初始靶直径的13—16,而内爆区的半高宽约为初始靶直径的15—19.由内爆区尺寸估算出的中子产额在误差范围内与实验结果相符 关键词： 惯性约束核聚变 内爆压缩 编码成象     

神光II装置辐射驱动内爆对称性的研究

 对神光II条件下辐射驱动内爆的不对称性进行了二维数值模拟。模拟结果表明，靶妨内爆的不对称性对辐射温度的不均匀性非常敏感，DT平均压缩度则对其不敏感。同时，内爆不对称性对中子产额和内爆效率有一定的影响。辐射驱动内爆的不对称性可以利用辐射温度源的时间调制得到明显的改善。     

高能密度物理实验装置FP-1及其应用

 综述了由高能密度物理装置FP-1驱动的固体套筒内爆研究情况。主要内容包括FP-1脉冲功率装置的特性和所进行的主要物理实验：铝套筒内爆、双套筒碰撞和微喷射、套筒的内爆脉冲屈曲等，给出了各类实验的典型结果。     

SSS程序在电磁内爆中的数值模拟

 对SSS程序的边界条件进行修改,将修改后的SSS程序用于固体套筒内爆实验的数值模拟,并与现有的一维磁流体力学程序的计算结果进行比较,对比结果表明,对SSS程序的改造是成功的,也可以预见将SSS程序改造成一维磁流体力学计算程序是可行的。     

激光驱动爆推靶特性研究

在神光装置上进行了爆推型DT气体的玻璃微球内爆实验。产生了5×(?)中子:内爆芯DT密度约一倍液D_2密度:内爆对称性4—8％:内爆速度3.3×10~(?)cm/s:内爆时间约150Ps:能量吸收系数约25％。实验结果与“一次冲击等熵压缩”理论符合得比较好     

神光Ⅲ激光装置直接驱动内爆靶产生的连续谱X光源

激光驱动的内爆靶通过轫致辐射过程可以产生覆盖1—100 keV能区的小尺寸、短脉冲和高亮度的光滑连续谱X光源,可用于高密度等离子体的点投影照相和吸收谱诊断等.本文对30—180 k J输出能量的神光Ⅲ激光装置直接驱动氘氚冷冻靶产生的连续谱X光源辐射特性进行了模拟研究,为优化内爆光源提供物理基础.采用了美国OMEGA激光装置和美国国家点火装置(NIF)使用的定标率来给出不同驱动能量时的靶参数和激光脉冲参数.研究发现,内爆靶丸在停滞阶段瞬时的密度和温度剧增可以产生尺寸约100μm、发光时间约150 ps的X光脉冲;X光辐射主要产生于被压缩的氘氚冰壳层内侧、而不是中心的高温气体热斑区;等离子体的自吸收可以显著降低1—3 keV的较低能区的X光发射,但对更高能区没有影响;X光辐射主要集中在30 keV的较低能区,氘氚聚变反应可以增强30 keV的硬X光辐射、但对30 keV的较软的X光辐射没有明显贡献.     

内爆驱动式超高速发射技术的初步研究

为获得10 km/s左右的超高速发射能力,以内爆发射器为研究对象,利用AUTODYN 2D软件对口径为8 mm的内爆发射器进行有限元仿真分析,获得了典型状态下的弹丸发射速度。研制了口径为8 mm的内爆发射器,并在压缩管中填充5 MPa氦气进行实验,分别获得了0.55 g铝合金弹丸7.95 km/s和0.37 g镁合金弹丸10.28 km/s的发射速度,与有限元仿真计算结果的速度偏差分别为15.3%和3.7%。结果表明,设计的内爆发射器具备10 km/s发射能力,满足空间碎片撞击和防护研究的超高速发射需求。     

双锥对撞点火机制2020年冬季实验中的瑞利-泰勒不稳定性分析

直接驱动激光聚变通过整形后的纳秒脉冲激光辐照氘氚(DT)球壳靶,经球对称压缩加速后,在中心转滞获得高温等离子体热斑,实现聚变点火.在球壳靶受到压缩和加速过程中等离子体界面的流体力学不稳定性,特别是瑞利-泰勒不稳定性的增长有可能会对压缩壳层造成破坏,导致点火的失败.本文通过理论解析和数值模拟,对基于Zhang等提出的双锥对撞点火方案(2020 Philos.Trans.A Math.Phys.Eng.Sci.378 20200015)在2020年冬季实验条件下的流体力学不稳定性增长进行了分析.结果显示理论模型与一维数值模拟中对整体压缩和加速过程的描述基本一致,在当前的近等熵波形下金锥中的壳层靶实现了低熵压缩,同时瑞利-泰勒不稳定性增长导致的最危险时刻扰动振幅和壳层厚度比可以达到约0.25,壳层依然处于安全状态,但当初始壳层表面扰动均方根振幅大于22 nm时,则可能出现壳层的破裂.因此,未来实验中的靶设计与驱动激光脉冲波形设计中可以通过增加靶壳层厚度、提高预脉冲强度、减小靶表面的粗糙度和提高激光辐照的匀滑度等方式来抑制不稳定性增长.     

结构网格与非结构网格联合技术及在内爆问题中的应用

对纯拉氏方法，格式的健壮性、精度和效率强烈地依赖于初始网格的生成。结构网格与非结构网格的联合技术，不仅可适应于复杂区域的网格生成，而且可根据实际问题的特殊性，在初始自适应的生成网格。本文在研究结构网格和非结构网格生成的基础上，研究了结构网格与非结构网格联合使用的自适应网格生成技术。首先是根据实际问题的特征，把整个计算区域划分成若干子区域，其次是把每个子区域分成若干子块，最后根据每个子块的特征生成网格，再把子块拼接起来。     

电磁内爆模拟技术实验研究进展

开展了中俄Z—pinch联合实验和强光一号实验，重点对双层丝阵内爆动力学模式、单层丝阵填充泡沫构建动力学黑腔及能谱相对强度的测量等进行了研究，取得了一批重要的物理研究成果。实现了双层丝阵内外层等离子体的同时内爆聚心，产生5．6TW的峰值辐射功率，     

离子束驱动压力型内爆靶

离子束的贯穿能力强，能使绝大部分能量透过靶球外壳，进入到驱动并沉积在驱动层中，从而产生强大的压力。讨论了离子束直接驱动压力型ＩＣＦ靶球内爆的可能性。结合压力型内爆靶驱动效率的近似分析公式，讨论了靶球的设计原则，给出了一个典型的靶球结构以及相应的数值模拟结果。