激光惯性约束聚变中光学汤姆逊散射研究进展

当前,激光惯性约束聚变在越来越接近点火的极端能量密度条件下,实验与模拟的偏离逐渐增大,一个关键原因是缺乏对黑腔等离子体状态及其影响黑腔能量学和内爆对称性的细致研究和判断。光学汤姆逊散射主动式、诊断精确、参数完备的优点,使之成为激光惯性约束聚变黑腔等离子体状态参数精密诊断的标准方法。中国面向激光惯性约束聚变研究的光学汤姆逊散射实验技术的发展与神光系列激光装置的建设和在其上开展的物理实验紧密相关。近年来,四倍频汤姆逊散射实验技术在神光III原型和100 kJ激光装置上相继建立,部分实验结果不仅加深了对激光惯性约束聚变靶物理的认识,还反映了实验条件对汤姆逊散射诊断的影响,促进了实验技术的精密化发展。在未来,还需要进一步发展多支路汤姆逊散射、五倍频汤姆逊散射和超热相干汤姆逊散射等新技术,面向点火黑腔条件,大幅提升激光等离子体状态参数的诊断精度,开展新物理机制的探索和研究,在激光惯性约束聚变和其他高能量密度物理科学领域发挥更重要的作用。     

激光聚变研究中的一些物理问题

惯性约束聚变（ICF）是不同于磁约束聚变的另一种实现可控热核反应的方式，作为未来的能源有着光明的前景。目前研究最多的最激光引起的聚变。高功率激光可以在物质中产生千万大气压级的高压，能用于研究高压物理，激光产生的X江可用于研究辐射物理和作为高亮度的X光源。近年来，激光更用于在实验室中产生X光激光。激光与等离子体的相互作用是激光聚变研究的基础，数值模拟则是ICF研究中不可缺少的手段。     

激光聚变研究进展

本文综合评述近年来发展很快的激光惯性约束聚变研究取得的新进展,包括驱动器、激光聚变物理及实现激光聚变的不同途径。重点分析不同驱动内爆方式的特点、取得的成就和遇到的困难。最后是今后的展望。     

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。     

受控核聚变研究的进展和“冷聚变”实验

本文简要介绍了核聚变的基本原理和实现核聚变的必要条件，概述了受控核聚变研究的两个主要途径──磁约束和惯性约束取得的重大进展．此外，还介绍了所谓ｕ介于催化聚变的物理概念，对当前“冷聚变”实验作了评述．     

大国重器——激光惯性约束聚变

激光惯性约束聚变被认为是人类工程物理科技领域的顶峰,这不仅是因为其实现技术难度极高,更因为其研究具有重大的科学意义。通过可控核聚变解决能源问题固然是激光聚变的研究目的之一,但其应用领域却显然不仅限于此。本文简要介绍了激光惯性约束聚变的基本概念和基本物理过程,并回顾了自激光诞生以来惯性约束聚变的发展历程。     

大国重器——激光惯性约束聚变

 激光惯性约束聚变被认为是人类工程物理科技领域的顶峰，这不仅是因为其实现技术难度极高，更因为其研究具有重大的科学意义。通过可控核聚变解决能源问题固然是激光聚变的研究目的之一，但其应用领域却显然不仅限于此。本文简要介绍了激光惯性约束聚变的基本概念和基本物理过程，并回顾了自激光诞生以来惯性约束聚变的发展历程。     

基于现代加速器的惯性约束聚变物理研究现状及发展

能源与环境是人类社会与经济发展的基础。传统的化石能源与现代的核裂变能源往往造成严重的环境污染,其原料也终将枯竭、难以持续;受控热核聚变能以用之不竭的海水作为原料,环境友好,将是未来彻底解决能源与环境问题的主要希望所在。强激光或重离子束驱动的惯性约束核聚变是实现受控热核聚变的重要途径。当前,美国激光聚变装置已经实现聚变能增益;我国的“神光”系列激光聚变研究采取循序渐进的思路,也已进入攻坚阶段。与此同时,国内外大型重离子加速装置项目相继启动,相关的现代加速器技术飞速发展,以高功率重离子束为驱动源、以现代加速器为先进工具的惯性约束聚变物理研究,条件日益成熟,亟待大力发展和推动。文章主要介绍基于现代加速器的惯性约束聚变物理领域若干前沿课题的研究现状和新进展。     

快Z箍缩等离子体研究与能源前景

综述了快Z箍缩等离子体研究国内外最新进展及其聚变能源应用前景,介绍了快Z箍缩研究对高能密度物理与惯性约束聚变研究的意义,尤其对高产额、低成本聚变能源技术的可行性研究作了预测,初步探讨了作为聚变能源可能遇到的技术问题。     

激光惯性约束聚变综合诊断系统

 概述了为在强激光装置“神光 II”、“星光 II”上开展惯性约束聚变实验而建立的综合诊断系统的构成与指标。重点介绍了近期在X光、光学波段、聚变产物、诊断精密化等方面的进步，以及该诊断系统在黑腔靶物理、内爆动力学、不透明度研究中的应用。     

受激散射过程理论模型的发展与应用

在激光间接驱动的惯性约束聚变（ICF）中,高强度激光与低密度等离子体发生相互作用,会激发两种受激散射过程：受激布里渊散射和受激拉曼散射。它们会损失激光能量、破坏辐射场对称性、产生超热电子,从而危害聚变点火过程。因此,理解受激散射的物理过程并找到抑制其发展的有效方法,是ICF研究中重点关注的问题。介绍了中国激光聚变研究团队为研究受激散射过程而发展的多个理论模型,以及这些模型在实验数据分析中的具体应用。这些理论模型与实验研究一起,为提升受激散射过程的物理理解发挥了重要作用。     

第三届全国高能量密度物理会议暨第十五届中国空气动力学物理气体动力学学术交流会在银川召开

2011年7月23日至25日,由北京应用物理与计算数学研究所、中国空气动力学学会物理气体动力学专业委员会、计算物理重点实验室主办,宁夏大学、惯约实施管理中心、国家高技术惯性约束聚变技术专题协办的第三届全国高能量密度物理会议暨第十五届中国空气动力学物理气体动力学学术交流会在宁夏银川顺利召开。本次会议议题涵盖了惯性约束聚变物理、超强激光与物质相互作用及其应用、高能量密度物理现象与物质     

激光惯性约束聚变靶技术研究

本文简要叙述了近年来中物院物理与化学研究所开展激光惯性约束聚变靶技术研究的进展情况，围绕热核聚变靶丸的研制，介绍了空心玻璃微球、塑料微球的制备结果和充氘氚燃料气体的技术。     

高功率激光聚变物理实验技术进展

激光核聚变实验技术的进步对研究领域的迅速发展起着十分重要的推动作用．本文从惯性约束聚变最基本的概念出发简单评述这一领域实验物理诊断研究工作的特点和主要进展．也穿插介绍了我们近年来在等离子体实验技术发展方面所做的一点工作．     

超短超强激光等离子体物理专题编者按

强激光等离子体物理是随着激光技术的发展而快速兴起的一门交叉学科,主要研究强激光与物质相互作用形成的等离子体结构、演化及应用.其研究内容从早期纳秒激光与等离子体作用相关的惯性约束聚变物理,到近年来飞秒激光与等离子体作用的新型加速器和辐射源物理,再到当前和未来以数十至百拍瓦激光等离子体作用的量子电动力学(QED)等离子体物理,逐步得到拓展和深入.     

激光聚变内爆流体不稳定性基础问题研究进展

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题,因而受到国际社会的普遍重视,一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍（属于内禀困难）是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制,对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科,同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题,高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外,流体力学不稳定性及其引起的湍流混合,还是天体物理现象（如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸）中的重要过程,涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展,梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性,在大量分解和综合物理研究基础上,凝练出了目前制约美国国家点火装置（NIF）内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来,总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后,展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制,以及聚变靶物理研究与设计,注重理论探索和实验研究相结合,近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果,有力地推动了该研究方向在国内的发展。     

等离子体与聚变物理的新进展

受控热核聚变是有长远意义的大型综合性的研究课题,其最终目标是获取轻核聚变释放的能量,从而根本解决能源问题.受控热核聚变是在高温等离子体状态下进行的,热核等离子体物理是当前等离子体物理的主要研究领域.现阶段聚变研究的中心任务,是掌握高温等离子体的规律.以寻求实现热核点火的方案.目前主要通过两种不同的途径进行探索:一种是磁约束方法,这是主要途径,其中最重要的是托卡马克型装置;另一种是惯性约束方法,利用激光或高能粒子束实现聚变.等离子体物理的另一个重要研究领域是空间及天体等离子体物理. 一、新型托卡马克与通向点火之路…     

惯性约束聚变黑腔内等离子体界面处的动理学效应及其影响

在惯性约束聚变物理研究中,等离子体界面处的动理学效应及其时空演化特性近年来受到重点关注,因为它会显著影响激光能量沉积、激光等离子体不稳定性、辐照对称性、黑腔和内爆性能等诸多物理。准确描绘等离子体特征界面附近的动理学效应是惯性约束聚变物理设计的基本需求,也是高能量密度物理中的具有挑战且未完全解决的问题。重点回顾近几年来本团队围绕等离子体动理学效应及其影响开展的一些研究工作：（1）聚变黑腔中金等离子体与靶丸冕区等离子体边缘处的电场结构及其加速的高能离子对内爆对称性的影响;（2）激光光路上高Z-低Z等离子体界面处的电场产生机制及其导致的反常离子扩散对激光等离子体不稳定性的影响;（3）等离子体中电磁场结构的质子照相反演。     

新型针孔点背光发光模型与实验研究

纳秒级强激光(～1014 W/cm2)与固体靶相互作用可以获得高亮度的Multi-keV能段X射线.在当前的高能量密度物理研究中利用这样的X射线背光源照相方式可以获得高质量的物理图像,具有重要的应用价值.以模拟计算与神光Ⅱ激光装置实验结果相结合的方式研究了激光等离子体发光模型.在该模型的基础上改进了针孔点背光成像技术,独立发展了针对低Z靶材料K线的准单能背向针孔点背光和针对中Z靶材料L带的高亮度侧向针孔点背光.在神光Ⅱ激光装置上通过新型针孔点背光对惯性约束聚变靶丸样品成像获得了高质量的静态靶丸流线图像,空间分辨优于10μm.实验结果表明新型的针孔点背光具备高亮度,高空间分辨,高图像衬度等优点可以广泛应用于高能量密度物理和惯性约束聚变的研究中.