Be靶丸的研制进展及其关键技术北大核心CSCD

可控核聚变反应是科学家用来解决能源缺乏和发展可持续能源的理想途径,为此美国开展了惯性约束聚变(ICF)研究,建设了国家点火装置(NIF),旨在实验室演示核聚变反应,为惯性约束聚变能(IFE)发展指明方向。制靶是NIF点火工程三大主体之一,如何制备满足设计需求的靶丸成为科学家不懈努力的追求目标。详细介绍了NIF工程中主要候选Be靶丸需求背景、研究现状、Be靶优势、靶参数设计要点、靶丸制备技术,以及制靶过程中存在的关键技术问题,为我国Be靶制备及制靶能力建设提供参考信息。     

ICF玻璃靶丸化学镀磁性Ni-Co-Fe-P四元合金涂层

采用化学镀技术在ICF玻璃靶丸表面均匀包覆一层磁性Ni-Co-Fe-P四元合金涂层,通过扫描电子显微镜、原子力显微镜、能量衍射谱仪和振动样品磁强计对ICF玻璃靶丸表面化学镀Ni-Co-Fe-P四元合金涂层的形貌、组成和磁性能进行了表征。结果表明:化学镀Ni-Co-Fe-P四元合金涂层的ICF玻璃靶丸,表面由平均直径为50 nm的细小颗粒组成,表面粗糙度小,磁性能高,可望用于磁悬浮实验研究。     

纳米金属功能材料研究进展

纳米金属材料是一类重要的激光惯性约束聚变和强辐射源靶材料。通过靶材料微观结构的调控，将其特征尺寸降低到纳米量级，已成为该研究领域的一种新型研究手段。针对目前ICF和强辐射源物理研究的目标和需求，本单位在纳米金属功能材料研究方向开展了一些研究工作，取得了初步的研究成果，主要有：     

CHBr薄膜制备的初步研究

碳氢（cH）及其掺杂材料常被用作ICF实验靶丸烧蚀层材料。制备CH薄膜及其掺杂材料的方法有很多，诸如：离子束辅助沉积、离子溅射沉积、低压等离子体化学气相沉积（LPPCVD）等。近年来，详细研究了LPPCVD法制备CH薄膜的制备方法与工艺，形成了比较成熟的技术路线与工艺路线，并为“神光”实验提供了一系列实验靶丸。     

聚乙烯材料冲击绝热线测量

在激光惯性约束聚变（ICF）研究中，燃料靶丸的压缩过程直接决定于靶丸壳层材料的状态方程（EOS），目前靶丸壳层材料主要是聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯醚、聚乙烯等低z透明材料，因此，获得这些材料准确可靠的状态方程数据对于准确预言和分析实验结果至关重要。     

惯性约束聚变靶丸内杂质气体抽空流洗过程的数值模拟

低温冷冻靶是实现惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)的关键部件之一.低温靶靶丸内杂质气体的去除程度和效率对低温靶燃料冰层的在线制备具有重要意义.依据低温靶物理对冰层杂质含量的设计要求,在计算靶丸内杂质气体最大允许分压的基础上,建立了靶丸内气体在微米级充气管内流动的抽空流洗模型.模拟研究了不同微管尺度及结构、温度对靶丸内杂质气体抽空流洗效率的影响规律,获得了靶丸充气微管的最佳管型设计方案.基于最佳管型设计,优化得到了具有最高抽空流洗效率的抽空时间与流洗次数组合策略.     

激光等离子体中高能电子各向异性压强的粒子模拟

直接驱动惯性约束聚变(ICF)的实现需要对靶丸进行严格的对称压缩,以达到自持热核反应(点火)所需的条件.快点火方案的应用降低了对靶丸压缩对称性以及驱动能量的要求,但压缩及核反应过程中良好的靶丸对称性无疑有助于核反应增益的提高.本文研究了快点火方案中高能电子注入高密等离子体后导致的各向异性电子的压强张量.这一现象存在于ICF快点火方案中的高能电子束"点火"及核反应阶段.鉴于高能电子加热离子过程以及靶丸核反应自持燃烧过程的时间较长,高密靶核会由于超高的各向异性压强的作用破坏高密靶丸的对称性,降低核燃料密度,进而降低了核燃料燃烧效率以及核反应增益.     

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。     

磁性ICF玻璃靶丸的化学镀工艺

 采用化学镀工艺在ICF玻璃靶丸表面包覆了一层磁性的Ni-P合金镀层,制备出磁性ICF玻璃靶丸。研究了化学镀主盐质量浓度、还原剂质量浓度、络合剂质量浓度、施镀温度及镀液pH值对沉积速率与镀液稳定性的影响,获得了化学镀制备磁性ICF玻璃靶丸的最佳工艺为：主盐硫酸镍30 g/L,还原剂次亚磷酸钠30 g/L,络合剂柠檬酸钠50 g/L,pH值10,温度(40±2) ℃。     

激光等离子体不稳定性及其抑制方案研究

受激拉曼散射、受激布里渊散射等激光等离子体不稳定性（LPI）是激光等离子体物理领域最重要的研究课题之一。特别是在激光驱动的惯性约束聚变中,LPI会造成相当份额的激光能量损失,破坏辐射对称性,产生的超热电子还会预热靶丸,进而影响压缩效率和聚变能量增益。近期,在美国国家点火装置上开展的实验表明对LPI物理过程的充分理解和有效控制对成功实现ICF点火至关重要。我们对近期LPI方面的一系列研究进展进行了简单介绍与讨论。首先,回顾了描述LPI过程的三波耦合理论,由此得出了LPI在线性阶段的增长率。接着讨论了一些复杂情景下的LPI物理过程,譬如LPI的非线性发展阶段、级联LPI、多光束LPI以及LPI间的非线性耦合。最后,着重介绍了一系列抑制LPI的技术方案,包括束匀滑技术、光束时域整形、宽带激光、偏振旋转激光以及外加磁场等。     

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。     

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。     

神光Ⅲ原型装置直接驱动均匀辐照设计及在快点火中的潜在应用

研究了基于间接驱动设计的神光Ⅲ原型装置在直接驱动方式下提供的辐照均匀程度,在考虑激光瞄准偏差以及激光束间能量偏差的情况下,通过优化激光光斑内部光强分布实现了球靶表面较高程度的均匀辐照。研究表明光强均方根随激光偏差的减小而降低。在优化结果基础上,分析了优化光强与实际光强的联系,指出可通过同步放缩具有长度量纲的量调整靶球表面平均光强,为后续靶设计提供了依据。最后,研究了优化结果在直接驱动快点火技术途径下的应用,分析了导引锥对激光传输的影响,表明当导引锥位于靶球两极方向,并且半锥角小于30°时,导引锥对锥外部靶球表面的光强分布影响较小,优化结果亦可应用于直接驱动快点火。     

激光惯性约束聚变靶技术现状及其发展趋势北大核心CSCD

靶是激光惯性约束聚变(ICF)研究的物质基础,其质量的好坏对物理实验结果有极其重要的影响。靶本身的特点决定了制靶是一项极其复杂且特色鲜明的系统工程。主要介绍了国内ICF靶制备技术的现状,并对存在的问题及今后一段时期内的发展趋势作了简要说明。     

X射线相衬成像应用于惯性约束核聚变多层球壳靶丸检测

随着惯性约束核聚变(ICF)研究的逐步深入,尤其是氘氚(DT)燃料层球壳梯度掺杂的广泛应用,对轻物质界面的诊断需求日益增长.在北京同步辐射形貌成像站的微米CT机上利用类同轴相衬成像方法获取了三层球壳靶丸的相衬图像,最佳空间分辨率达到了2μupm,衬度达到12%;通过分析边缘增强函数和衬度传递函数之间的关系,总结出一套完整的类同轴相衬成像方法,同时将相衬成像结果与吸收成像结果对比.实验结果表明,X射线相衬成像在轻物质界面的分辨中具有明显的优势,能够广泛应用于ICF研究、医学断层扫描CT装置和生物结构等前沿科学领域.     

D-3He先进燃料靶惯性约束聚变的燃耗和增益

计算了球形均匀D-3He先进燃料靶惯性约束聚变(ICF)的燃耗和增益。讨论了这种堆系统的能量平 衡。设计了一种新型的由毛细管阵列组成具有抗辐射损伤、可自动更新的液态金属锂自由表面多孔湿壁,用它取 出聚变能。同时与D-T热核燃料靶系统的燃耗和增益及它们不同的堆工程特性作了比较。     

受控核聚变两大途径的对比与结合

目前人们探索受控核聚变主要是从两个方向着手：磁约束受控核聚变和惯性约束受控核聚变，但目前还无法判定到底哪一种途径更为可取，文章首先对这两种途径进行对比，指出各自的特点和困难，在此基础上提出了一种结构相对简单，成本相对较低的三轴六极磁镜系统设想，希望能将磁约束和惯性约束和惯性约束结合起来，以实现受控核聚变反应。     

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.     

Symmetric inertial-confinement-fusion-capsule implosions in a double-z-pinch-driven hohlraum

An inertial-confinement-fusion (ICF) concept using two 60-MA Z pinches to drive a cylindrical hohlraum to 220 eV has been recently proposed. The first capsule implosions relevant to this concept have been performed at the same physical scale with a lower 20-MA current, yielding a 70+/-5 eV capsule drive. The capsule shell shape implies a polar radiation symmetry, the first high-accuracy measurement of this type in a pulsed-power-driven ICF configuration, within a factor of 1.6-4 of that required for scaling to ignition. The convergence ratio of 14-21 is to date the highest in any pulsed-power ICF system.     

ICF靶材料和靶制备技术研究进展

 主要介绍了中国工程物理研究院ICF靶材料科学与靶制备技术在材料研究、靶丸制备技术、薄膜制备技术、精密微工艺及靶参数测量等方面的主要研究进展。在靶材料研究方面,近年相继研制成功全氘代聚苯乙烯（D-PS）有机材料、微靶掺杂和激光吸收与X射线转换金属纳米或团簇材料;探索了新型有机气凝胶储氢材料,开展了金属小团簇理论研究和纳米金属复合材料的研究工作。在靶制备技术与工艺方面,完成了PS单层、双层和三层塑料空心微球的研制工作;利用低温等离子体聚合涂层技术,建立了微球表面沉积纯CH薄膜以及金属掺杂CH薄膜的工艺和技术;在玻璃微球充氩技术研究中,开展了原子力扫描显微镜对玻璃球壳钻孔工艺研究以及粒子辐照改性充气技术研究,等等。