A new ignition hohlraum design for indirect-drive inertial confinement fusion

In this paper,a six-cylinder-port hohlraum is proposed to provide high symmetry flux on capsule.It is designed to ignite a capsule with 1.2-mm radius in indirect-drive inertial confinement fusion(ICF).Flux symmetry and laser energy are calculated by using three-dimensional view factor method and laser energy balance in hohlraum.Plasma conditions are analyzed based on the two-dimensional radiation-hydrodynamic simulations.There is no Y_(lm)(l≤4) asymmetry in the six-cylinder-port hohlraum when the influences of laser entrance holes(LEHs) and laser spots cancel each other out with suitable target parameters.A radiation drive with 300 eV and good flux symmetry can be achieved by using a laser energy of 2.3 MJ and peak power of 500 TW.According to the simulations,the electron temperature and the electron density on the wall of laser cone are high and low,respectively,which are similar to those of outer cones in the hohlraums on National Ignition Facility(NTF).And the laser intensity is also as low as those of NIF outer cones.So the backscattering due to laser plasma interaction(LPI) is considered to be negligible.The six-cyliner-port hohlraum could be superior to the traditional cylindrical hohlraum and the octahedral hohlraum in both higher symmetry and lower backscattering without supplementary technology at an acceptable laser energy level.It is undoubted that the hohlraum will add to the diversity of ICF approaches.     

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2 ns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。     

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。     

Demonstration of ignition radiation temperatures in indirect-drive inertial confinement fusion hohlraums

We demonstrate the hohlraum radiation temperature and symmetry required for ignition-scale inertial confinement fusion capsule implosions. Cryogenic gas-filled hohlraums with 2.2 mm-diameter capsules are heated with unprecedented laser energies of 1.2 MJ delivered by 192 ultraviolet laser beams on the National Ignition Facility. Laser backscatter measurements show that these hohlraums absorb 87% to 91% of the incident laser power resulting in peak radiation temperatures of T(RAD)=300 eV and a symmetric implosion to a 100 μm diameter hot core.     

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     

激光间接驱动惯性约束聚变二维总体程序——LARED集成程序

介绍了辐射流体力学程序LARED集成程序的物理背景、模型方程、数值方法和数值算例。该程序主要应用于激光间接驱动惯性约束聚变的二维整体模拟,兼顾激光直接驱动、辐射驱动靶丸内爆过程和流体不稳定性等物理过程的数值模拟。通过与实验数据、一维辐射流体力学程序进行比对,验证了程序的可靠性。该程序实现了多群输运建模下NIF点火靶的全过程数值模拟,并已应用于惯性约束聚变的物理研究。     

激光间接驱动惯性约束聚变二维总体程序——LARED集成程序

介绍了辐射流体力学程序LARED集成程序的物理背景、模型方程、数值方法和数值算例。该程序主要应用于激光间接驱动惯性约束聚变的二维整体模拟,兼顾激光直接驱动、辐射驱动靶丸内爆过程和流体不稳定性等物理过程的数值模拟。通过与实验数据、一维辐射流体力学程序进行比对,验证了程序的可靠性。该程序实现了多群输运建模下NIF点火靶的全过程数值模拟,并已应用于惯性约束聚变的物理研究。     

BeH2材料的制备及在ICF中的应用

简述了BeH2材料的制备方法、结构形式和物理化学性质,并分析了其在惯性约束聚变(ICF)中的应用。BeH2材料主要由二叔丁基铍热解法和元素化学气相沉积法制备,其纯度(质量分数)高达99%。非晶BeH2材料的结构是一种共用氢原子作为顶点的BeH4四面体网络结构。非晶BeH2材料不仅具有铍的优点,还具有聚合物的优点,作为ICF靶可以降低瑞利-泰勒不稳定性,而且掺入高Z元素后还可以降低D-T燃料的预热。非晶BeH2材料作为烧蚀层,掺入高Z元素后可以提高激光-X光的转换效率。     

BeH2材料的制备及在ICF中的应用

 简述了BeH_{2材料的制备方法、结构形式和物理化学性质，并分析了其在惯性约束聚变(ICF)中的应用。BeH2材料主要由二叔丁基铍热解法和元素化学气相沉积法制备，其纯度(质量分数)高达99%。非晶BeH2材料的结构是一种共用氢原子作为顶点的BeH4四面体网络结构。非晶BeH2材料不仅具有铍的优点，还具有聚合物的优点，作为ICF靶可以降低瑞利-泰勒不稳定性，而且掺入高Z元素后还可以降低D-T燃料的预热。非晶BeH2材料作为烧蚀层，掺入高Z元素后可以提高激光-X光的转换效率。}     

激光惯性约束聚变动理学效应研究进展

动理学效应的研究是近年来激光惯性约束聚变领域的研究热点,有助于理解实验结果和传统流体模拟之间的偏差。间接驱动黑腔中等离子体的温度、密度跨越多个量级且靶丸组分复杂,在局域的高温低密度区域,粒子的非平衡效应开始变得显著,可能会间接影响内爆性能。对ICF领域动理学效应的概念和部分进展做了简要综述。     

惯性约束聚变实验中的层析成像技术研究

文章对惯性约束聚变(ICF)中的多方位成像的层析技术(CT)和编码成像技术在激光等离子体实验中的应用进行了研究．作者完成了以下工作：建立了多方位层析成像系统，自行编制三维图像重建的软件；采用三个方位的针孔相机对爆推爆靶内爆压缩过程进行成像，同时成功地获得了三个针孔图像，得到的直径压缩比约为3．且压缩的对称性很好；采用编码成像技术，在“神光Ⅱ”上成功地验证了菲涅耳波带片的可行性应用，并建立了激光热核聚变产生的α粒子和腔靶超热电子的菲涅耳波带片成像系统，获得了热核反应区的α粒子图像，并首次得到了厚壁腔靶的超热X射线图像．     

惯性约束聚变反应速率测量

聚变反应速率是表征惯性约束聚变热核反应的重要参数,为测量聚变反应速率,研制了一套由闪烁体及鼻锥部分、光学系统和条纹相机组成的测量系统。在神光Ⅲ原型装置上利用新研制的聚变反应速率测量系统进行了聚变反应速率测量。在DT中子产额约为1010条件下,首次获得了聚变反应速率随时间的变化过程。对影响聚变反应速率测量的相关因素进行详细分析后表明,系统的时间分辨力优于30 ps。     

Intense ion beams for inertial confinement fusion

Intense beams of light and heavy ions are being studied as inertial confinement fusion (ICF) drivers for high yield and energy. Heavy and light ions have common interests in beam transport, targets, and alternative accelerators. Self-pinched transport is being jointly studied. This article reviews the development of intense ion beams for ICF. Light-ion drivers are highlighted because they are compact, modular, efficient and low cost. Issues facing light ions are: (1) decreasing beam divergence; (2) increasing beam brightness; and (3) demonstrating self-pinched transport. Applied-B ion diodes are favored because of efficiency, beam brightness, perceived scalability, achievable focal intensity, and multistage capability. A light-ion concept addressing these issues uses: (1) an injector divergence of ⩽24 mrad at 9 MeV; (2) two-stage acceleration to reduce divergence to ⩽12 mrad at 35 MeV; and (3) self-pinched transport accepting divergences up to 12 mrad. Substantial progress in ion-driven target physics and repetitive ion diode technology is also presented. Z-pinch drivers are being pursued as the shortest pulsed power path to target physics experiments and high-yield fusion. However, light ions remain the pulsed power ICF driver of choice for high-yield fusion energy applications that require driver standoff and repetitive operation     

Choice of targets for inertial confinement fusion

We propose a simple target in the form of a miniature torus, in which the heavy shell is used to confine the plasma spread, for a solution of the laser-fusion problem. We achieve a significant decrease of heat losses using an external magnetic field and/or as a result of a self-sustaining magnetic field that is generated in the plasma. We formulate the conditions and determine the energy of the laser pulse (or of a beam of fast charged particles) required to ignite a thermonuclear DD reaction and obtain a positive energy yield. We show that the stopping range of α-particles does not exceed the small radius of the torus within a broad range of the plasma and magnetic-field parameters.     

惯性约束聚变反应速率测量

 聚变反应速率是表征惯性约束聚变热核反应的重要参数,为测量聚变反应速率,研制了一套由闪烁体及鼻锥部分、光学系统和条纹相机组成的测量系统。在神光Ⅲ原型装置上利用新研制的聚变反应速率测量系统进行了聚变反应速率测量。在DT中子产额约为10¹⁰条件下,首次获得了聚变反应速率随时间的变化过程。对影响聚变反应速率测量的相关因素进行详细分析后表明,系统的时间分辨力优于30 ps。     

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。     

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。     

ICF靶用微球弹跳的影响因素分析

 通过对微球弹跳模型的建立,对微球弹跳过程进行了受力分析,解释了微球弹跳过程中遇到的微球粘连或“不跳”、弹跳率起伏不定及弹跳幅度高低不同等现象。通过对加载信号方向与大小、微球质量及尺寸大小、微球及反弹盘表面特性、环境湿度等影响微球弹跳效果因素的分析,提出了改善涂层表面粗糙度和弹跳效果的措施,包括根据微球大小调整微球弹跳激励方式、等离子体中和微球表面电荷、反弹盘表面改性减小球盘之间的相互作用力。     

Time-dependent nuclear measurements of mix in inertial confinement fusion

The first time-dependent nuclear measurements of turbulent mix in inertial confinement fusion have been obtained. Implosions of spherical deuterated-plastic shells filled with pure 3He gas require atomic-scale mixing of the shell and gas for the D-3He nuclear reaction to proceed. The time necessary for Rayleigh-Taylor (RT) growth to induce mix delays peak nuclear production time, compared to equivalent capsules filled with a D2-3He mixture, by 75+/-30 ps, equal to half the nuclear burn duration. These observations indicate the likelihood of atomic mix at the tips of core-penetrating RT spikes.