磁化套筒惯性聚变初步探索研究与实验可行性分析

磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型可充分利用现有大型脉冲功率驱动装置,如聚龙一号等。基于磁流体力学方程组和1∶1比例氘氚(DT)混合燃料聚变模型,开发了零维MagLIF数值模拟程序并进行了初步探索研究。计算结果表明初始负载参数(如轴向磁场强度,预加热温度、时刻,负载半径等)与聚变产额之间有着密切的联系,在给定条件下,可依据计算给出的定性关系进行负载优化设计。值得注意的是,根据计算结果,即使在理想条件下,氘氚燃料要实现能量收支平衡,则驱动器的电流必须大于21.2 MA。这意味着聚龙一号装置(10 MA)无法开展集成化的MagLIF实验,进一步的校验计算验证了上述观点,并在此基础上提出铝套筒分解实验的建议和负载设计参数。所取得的计算结果有利于加深对MagLIF套筒压缩阶段物理过程的认知和理解。     

一维磁化套筒惯性聚变模拟程序的设计与校验

在调研跟踪国外磁化套筒惯性聚变(MagLIF)研究领域最新进展的基础上,以一维磁流体力学方程为基础,结合氘氚燃料能量交换方程,建立一维磁化套筒惯性聚变物理模型,并使用Fortran语言编写完成一维数值模拟程序MagLIF-1D;通过与圣地亚实验室LASNEX,HYDRA等程序计算结果对比展示,完成程序校验工作,讨论后认为程序计算结果存在差异的主要原因可能来自不同程序对于材料状态方程库的选择;通过计算,MagLIF-1D程序可以直接获得内爆速度、燃料压力、燃料密度、聚变产额等关键物理量,这为后续更好地开展磁化套筒惯性聚变实验设计提供了有力工具。     

磁化套筒惯性聚变一维集成化数值模拟

磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion,MagLIF)结合了传统磁约束聚变和惯性约束聚变的优点,理论上可以显著地降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力.以研究MagLIF中的关键问题为目标,建立能够综合考虑磁化、预加热、套筒内爆、聚变反应、端面效应、磁通压缩等多种复杂机制在内的集成化物理模型,特别是通过引入流体喷射模型,使得可以在一维计算条件下考虑具有二维特性的端面损失情况,并额外考虑Nernst扩散项对磁通损失的影响.在此基础上编写实现一维集成化MagLIF数值模拟程序MIST(magnetic implosion simulation tools),与FP-1装置(2 MA,7.2μs)上铝套筒内爆实验结果的对比验证了程序磁流体模块的正确性;将聚变模块纳入后与国外同类程序LASNEX和HYDRA计算结果进行整体比较,所得数值结果总体接近,主要差异体现在燃料温度的计算上,对可能影响的原因进行了简要分析.所建立的集成化模型与程序将为未来开展MagLIF聚变实验研究提供坚实的理论基础和重要工具.     

预加热效果对磁化套筒惯性聚变放能影响的模拟研究

得益于预加热和轴向磁场的作用,理论上磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型能有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力。然而,当前研究过于重视对激光能量沉积效率的提升,而忽略了预加热自身参数对MagLIF过程和内爆结果的影响。为此,采用一维集成化数值模拟程序MIST,开展了MagLIF过程中预加热效果对聚变放能影响的模拟研究,基于参数扫描方法,从简单的模型着手,逐步深入探讨相关参数对内爆结果的影响。模拟结果表明:预加热是MagLIF构型能够成功的必要条件,最佳时间是套筒即将开始向内压缩燃料的时刻;燃料预加热的设计原则是让燃料获得尽可能平缓分布的高温,而中心局部加热方式对于未能达到点火条件的负载更有优势;激光预加热模式下,脉宽越短越好,对于以ZR装置驱动能力为目标的算例而言,最佳套筒高度为1.0 cm。研究结果有助于加深对MagLIF过程中预加热机制和效果的认知和理解,对于具体的负载参数设计也有较强的指导意义。     

磁化套筒惯性聚变典型物理过程及特征参量

磁化套筒惯性聚变(MagLIF)结合了传统磁约束聚变(MCF)与惯性约束聚变(ICF)的优势,理论上在有限的驱动能力下可以有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力。基于一维集成化物理模型编写了数值模拟程序,以ZR装置典型驱动能力27 MA为出发点,以时间演化为顺序,通过数值模拟系统性地总结分析了典型负载参数下MagLIF构型初始化、加速内爆及迟滞3个关键过程中重要特征参量的分布及演化情况。数值模拟结果有助于理解MagLIF构型从预加热经由燃料压缩到最终发生聚变这一快速而复杂的过程,从而为建立相应的物理图像和认知提供了重要支撑,与传统ICF典型参数的对比也体现了该构型的优势所在,为后续研究奠定了基础。     

磁化套筒惯性聚变中轴向磁场演化特征与Nernst效应影响

轴向磁场是磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion, MagLIF)有别于其他惯性约束聚变构型的主要标志之一.本文在建立集成化物理模型并编写一维模拟程序的基础上,通过对ZR装置驱动能力下典型MagLIF负载参数的模拟,系统研究并获得MagLIF各个阶段轴向磁场演化与分布特征,发现预加热引起的压力不平衡导致燃料中磁通保有量并未呈现随时间单调递减的关系,而是反复震荡甚至出现局部短时间内反而增加的演化曲线.通过在磁场演化方程中引入控制项来讨论Nernst效应的影响,计算结果表明随着初始磁场强度降低(30, 20, 10 T), Nernst效应越发明显,磁通损失增大(28%, 44%, 73%), a粒子能量沉积比例则大幅降低(44%, 27%, 4%),因此初始磁场强度不宜太低;预加热结束后应使燃料中温度径向分布尽量均匀、平缓,有助于减少Nernst效应的影响.所取得的研究结果有助于加深对MagLIF中磁通压缩和磁扩散过程的物理图像认知和理解,对未来实验负载参数设计也有重要的指导作用.     

热电子与聚变等离子体相互作用模拟计算的误差分析

对惯性约束聚变(ICF)实验条件下热电子辐照聚变等离子体（DD,DT）的射程岐离和散射进行了分析。结果表明,射程岐离和散射随射程增加近似呈直线增加;射程岐离和散射大小与等离子质量有一定关系。在单能热电子入射下,散射是计算结果误差的主要来源,误差在5%以下,绝对数在数十MA。入射束流的电子完全沉积在热斑中的聚焦角度,在边沿点火方式中,氘等离子体中为20.64,氘氚等离子体中为21.8;在中心加热方式中,氘等离子体中为16.36,氘氚等离子体中为17.6,在技术上相对易于实现。     

7～8 MA条件下MagLIF集成实验关键问题理论研究与设计

针对国内7～8 MA脉冲功率装置驱动条件,通过耦合等效电路模型和McBride等人发展的半解析模型,研究了MagLIF总体能量学过程及中子产额随关键参数的变化规律,获得了中子产额大于1010的参数设计区间。结果表明:7～8 MA驱动条件、套筒材料、负载高度、燃料半径与密度、预热能量、外加轴向磁场等多因素共同决定了燃料的最终压缩状态;预热能量越大,燃料初始升温以及滞止时刻升温越高,中子产额越高;轴向磁场增加,热传导能量损失减小,但燃料收缩比也会减小,因此存在优化轴向磁场以获得较高中子产额;杂质质量分数超过10%,中子产额开始显著下降。燃料密度0.7 mg/cm3、外加轴向磁场27 T、预热能量200 J、杂质质量分数小于50%的条件下,可以获得3.5×1010中子产额,从而有望在7～8 MA条件下建立MagLIF关键问题研究平台。     

快重离子束实现点火的可行性

采用蒙特卡罗方法计算了低温下C,Si,Ar,Au和U等多种重粒子在等物质的量氘氚等离子体密度1000 g/cm3、热斑直径50 m中的电子能量损失,不同点火形式下入射能量和作用时间,以及燃料约束时间为20 ps条件下的束流强度。通过对数据的分析研究了这些重粒子辐照实现氘、氚燃料快点火的可能性。结果表明,重粒子束流加热等离子体实现快点火理论上可行,而且有一定的优势;较重的离子加热聚变等离子体的效果更好。重粒子束流加热等离子体到聚变温度需要的束流强度在MA左右;单个粒子的能量在GeV以上;相互作用时间为ps以下。     

聚龙一号装置上首次铝套筒Z箍缩X射线背光照相实验

在聚龙一号脉冲功率装置上首次完成了对带正弦扰动铝套筒Z箍缩的X射线背光照相实验。实验采用千焦耳激光器（1053 nm, 1 kJ, 1 ns）驱动固体靶材产生X射线, 然后利用基于球面晶体的单色背光照相技术以及直接点投影背光照相技术, 成功观测到约7.5 MA电流驱动条件下, Z箍缩铝套筒的外边界不稳定性发展情况。该实验验证了在聚龙一号装置上联合千焦耳激光器开展X射线背光照相实验的能力, 为后续精密Z箍缩物理研究奠定了基础。     

快点火参数窗口的计算

在入射粒子和等离子体相互作用物理学基础上,采用蒙特卡罗方法计算了常温和10 keV下,电子、氢、氘、氚和氦粒子在500 g/cm3纯氘等离子体中的能量损失、射程,以及在和燃料直径为50 m,在边缘、中心点火两种方式下的能量沉积时间,得出燃料约束时间为20 ps条件下的束流强度。实现快点火的边缘(中心)点火要求的最低入射束流强度:电子束为363(458) MA,质子束为187(355) MA,氘束为13.1(24.8) MA,氚束为10.9(20.9) MA,氦束为9.34(17.0) MA。单个粒子在边缘(中心)点火的最长能量沉积时间分别为电子0.036(0.078) ps,质子0.219(0.569) ps,氘0.241(0.651) ps,氚0.320(0.854) ps,氦0.228(0.592) ps,均小于燃料约束时间。数据的分析表明,入射粒子射程的末端设计在加热区,可以有效提高加热效率,同时也可以降低需要的束流强度。点火需要的最低总能量,应通过增加入射粒子的流强来实现。     

今日国外物理

 1 欧洲14国首次进行受控核聚变实验据日本NHK新闻报道,由欧洲14国科学家组成的科研小组,于去年11月9日在英国牛津郡卡勒姆的联合欧洲核聚变实验环形装置(JET)中,将0.2克氘与1.2克氘放入高压真空容器内,加热到摄氏3亿度,使核聚变温度超过太阳中心温度20倍,持续时间只有两分钟,成功地实现了重氢(氘)与氚的受控核聚变反应试验,能在1秒钟内产生100万瓦特的电能.科学家们在重达3500吨JET聚变实验装置里,首次增加了氚,其含量占混合燃料的14%;若氚与氘比例达到1:1,所产生能量的效率将会更高.     

磁化套筒惯性聚变中端面损失效应的一维唯象模型与影响分析

得益于激光预加热和轴向磁场的作用,磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion,MagLIF)构型理论上能有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力.本文选择MagLIF过程中伴随激光预加热所必然存在端面损失效应作为研究目标,搭建了能够描述几何参数与腊肠不稳定性等高维效应的一维唯象物理模型,并分别通过与二维流体动力学程序和国外同类程序的计算对比完成参数拟合校验;在此基础上,获得端面损失效应对MagLIF内爆过程及预加热效果的影响规律.计算结果表明:不同喷射半径下MagLIF负载在内爆过程的绝大多数时间内保持了相近的流体动力学演化过程,并在迟滞阶段经历了相同的质量损失比例,且考虑端面效应后得到的预加热和内爆产额相对变差,但却不改变规律性的趋势.所建立的模型与结论有助于加深对MagLIF预加热和端面损失过程中物理图像的认知和理解.     

高压氘氚靶球的制备与拉曼光谱研究

氢同位素的定量分析与监测在能源与环境领域都有着重要的意义。激光拉曼光谱由于其可以无损分析氢同位素分子,已经成为一种重要的方法,在国际热核聚变实验反应堆(ITER)和美国萨凡纳河工厂得到了广泛应用。利用高压充气装置得到了惯性约束聚变(ICF)高压靶丸,并对靶丸内气体进行原位拉曼光谱测量,通过对高压下氘氚混合气体的拉曼光谱进行分析得到了靶丸内气体的成分比例,验证了靶丸充气工艺参数。实验表明,在CCD的积分时间延长到1 min时,氘(DD),氘氚(DT)和氚(TT)的测量精度可以达到1%,同时对不同时刻靶丸内气体组分的拉曼光谱进行测量,实验结果表明在氘氚渗透和氚衰变两者共同作用下,靶丸内总气体压力随时间不断下降,但是气体组成基本不发生变化。     

ICF靶丸中液氢层厚度的确定

 利用靶丸内部的质量守恒，提出了计算惯性约束聚变靶丸内液氢层厚度的函数关系式，从而得到了求解惯性约束聚变靶丸内液氢层厚度的一般模型，并在此基础上对影响液氢层厚度的各类因素如温度、充气密度等进行了讨论。该模型的分析方法同样适用于惯性约束聚变中的燃料气体氘、氚或者氘氚混合物。     

“聚龙一号”装置24路模块精确控制技术

介绍了Z箍缩初级实验平台“聚龙一号”装置24路模块的精确控制技术和实验结果, 通过采用24个激光触发开关来控制24路模块的精确导通, 实现了对“聚龙一号”装置输出电流波形的精确控制和调节。24个激光触发开关由12台Nd: YAG四倍频脉冲激光器来触发, 每台激光器分光后触发2路激光开关。实验结果表明: 24路激光之间的抖动小于1.0 ns, 激光开关的抖动小于1.5 ns,“聚龙一号”装置在主Marx充电电压为65 kV时, 当24路模块同步导通时,获得负载电流9.8 MA, 电流前沿上升时间(10%~90%)为75 ns;在24路模块分时放电时,实现了对电流波形的精确调节,电流前沿上升时间(10%~90%)可以拓展到600 ns, 对应的负载电流峰值为5.5 MA,电流波形的模拟值与实验测量结果基本一致,在相同负载和实验条件下,获得的电流波形具有很好的重复性。     

聚龙一号装置波形调节北大核心CSCD

在聚龙一号装置(PTS装置)上开展了系列波形调节实验,成功在负载上输出脉冲上升时间达到600ns、峰值电流大于5.0 MA的电流。聚龙一号装置在同步放电情况(短脉冲模式)下,负载电流的上升时间约90ns,峰值电流约10.0 MA。波形调节通过装置24台激光触发气体开关分时放电、脉冲输出开关短接等技术调整,实现负载上长上升时间的脉冲电流输出。波形调节根据需要实现的电流波形形状,通过全电路模拟计算,调整激光触发气体开关的触发时序和脉冲输出开关状态,在相应负载上输出接近需求的实验波形。聚龙一号装置波形调节实验研究表明,输出电流脉冲的前沿的最大值取决于24台激光触发气体开关最早触发时刻和最晚触发时刻的时间差,该时间差受制于激光触发气体开关的正常触发。激光触发气体开关能否被正常触发,除了取决于进入开关触发间隙的触发激光能量外,还取决于开关充气压力和加载于开关两端的电位差,该电位差与相关两路的渡越时间相关。通过波形调节研究,聚龙一号装置具备在不同实验负载上输出不同上升时间、不同波形形状的脉冲电流的能力。     

玻璃微球内氘结晶行为研究

为研制出满足惯性约束聚变(ICF)实验的氘氚(DT)冷冻靶, 需要控制DT结晶生长过程, 实现DT单晶生长, 由此减少影响冰层均匀化及聚变实验的晶体缺陷. 本文运用晶体生长形态动力学理论建立了密排六方晶体(hcp)单晶生长模型, 实验中通过对靶室进行± 3 mK精确控温, 采用可见光背光成像技术在线表征了低温下玻璃微球内氘(D₂)的结晶生长过程, 结果表明: 在20–100 Pa低温氦气导热环境下, 通过缓慢降温可显著降低氘晶体生长过程中形成的缺陷; 当降温速率达到2 mK/min时, 观测到了氘燃料的两种单晶生长过程, 实验具有可重复性; 建立的hcp单晶生长理论模型与实验结果符合, 并与美国利弗莫尔国家实验室(LLNL)的DT单晶生长过程进行了对比, 提出了冷冻靶内D₂/DT燃料的单晶生长方法.     

压缩氘氚球的热核燃烧特性研究

本文利用LARED-S程序模拟了等密度和等压力条件下压缩氘氚球的热核反应燃烧过程.对于等密度模型,模拟了两个具体算例,与国外计算结果进行了比较,验证了程序的可靠性.对于等压力模型,利用数值模拟给出了热核反应燃烧与压缩氘氚球初始状态之间的关系曲线,分析发现,氘氚装量、压力和主燃料密度的增加有利于提高热核反应放能和燃耗,中心热斑的温度和面密度分别达到70—80 MK和3—4 kg·m^-2时热核反应才有显著的放能,提高主燃料密度,可以适当放宽对中心热斑的点火要求.最后对实际点火靶进行了数值模拟并且与等压力模拟计算结果进行了比较分析. 关键词： 压缩氘氚球 等密度模型 等压力模型 热核反应聚变     

X射线相衬成像法在线表征冷冻靶技术

阐述了冷冻靶类球面物体X射线相衬成像机理;Tracepro软件模拟研究证明了X射线相衬成像法能用于冷冻靶燃料层参数的表征;研制了在线表征冷冻靶的X射线相衬成像实验装置,利用该装置开展了二乙烯基苯泡沫球壳及实际氘氘冷冻靶的X射线相衬成像实验研究,获得了玻璃微球内氘氘冷冻层X射线相衬图像,成像分辨力达1.5 m;利用X射线相衬成像法可同时表征烧蚀球壳及冷冻燃料层,为惯性约束聚变实验提供冷冻靶参数。