激光惯性约束聚变靶制备技术研究进展

在实验室实现聚变反应释放的能量大于点燃聚变反应所需能量的阈值是当今世界ICF研究的主要目标,实现这一目标仍需要深入研究一系列的关键物理问题。在ICF研究中,制靶能力的发展与提升至关重要,靶的质量是实验成功的核心要素之一。本文介绍了国际ICF靶制备工作近年来在新型烧蚀层材料靶丸、新型靶丸支撑技术、优化黑腔材料与构型以及减小燃料填充管直径等方面取得的一系列进展,并结合ICF物理需求,简要阐述了ICF靶的发展趋势。     

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。     

激光惯性约束聚变靶靶丸制备与表征

激光惯性约束聚变的核心思想是利用球形内爆技术对聚变燃料进行增压,使热核燃料达到高温、高密度的等离子体状态,进而实现聚变点火。基于对称压缩、流体界面不稳定性和实验诊断的考虑,ICF实验对作为热核燃料容器的空心微球的品质在球形度、壁厚均匀性、表面粗糙度以及掺杂水平等方面提出了严格的要求。为满足这些要求,陆续发展了乳液微封装技术、降解芯轴技术、低压等离子体聚合/掺杂技术、干凝胶玻璃微球制备技术等用于多层塑料微球和空心玻璃微球的研制。另一方面,针对ICF靶丸量小、质轻以及表面要求高的特点,发展了相应的非破坏性靶丸参数表征技术,如X光照相技术、4π形貌表征技术、微球掺杂水平测量技术以及微球内燃料负载水平快速测试技术。基于这些制备与表征技术,初步实现了多层塑料微球、玻璃微球、聚-!-甲基苯乙烯芯轴微球、梯度掺杂CH微球的研制,满足了"神光Ⅱ"、"神光Ⅲ原型"及"神光Ⅲ主机"上开展的一系列内爆物理实验的要求,同时为未来点火物理实验用靶丸的研制提供了技术支撑。     

激光惯性约束聚变靶靶丸制备与表征

激光惯性约束聚变的核心思想是利用球形内爆技术对聚变燃料进行增压,使热核燃料达到高温、高密度的等离子体状态,进而实现聚变点火。基于对称压缩、流体界面不稳定性和实验诊断的考虑,ICF实验对作为热核燃料容器的空心微球的品质在球形度、壁厚均匀性、表面粗糙度以及掺杂水平等方面提出了严格的要求。为满足这些要求,陆续发展了乳液微封装技术、降解芯轴技术、低压等离子体聚合/掺杂技术、干凝胶玻璃微球制备技术等用于多层塑料微球和空心玻璃微球的研制。另一方面,针对ICF靶丸量小、质轻以及表面要求高的特点,发展了相应的非破坏性靶丸参数表征技术,如X光照相技术、4形貌表征技术、微球掺杂水平测量技术以及微球内燃料负载水平快速测试技术。基于这些制备与表征技术,初步实现了多层塑料微球、玻璃微球、聚-??-甲基苯乙烯芯轴微球、梯度掺杂CH微球的研制,满足了神光Ⅱ、神光Ⅲ原型及神光Ⅲ主机上开展的一系列内爆物理实验的要求,同时为未来点火物理实验用靶丸的研制提供了技术支撑。     

惯性约束聚变靶三维成像研究

利用计算机层析技术，采用乘代数重建法，编制出三维图像重建程序ＣＴ３Ｄ，通过五个方位对“星光Ⅱ”装置的惯性约束聚变靶进行Ｘ光成像，重建出靶等离子体的三维图像，获得了较好的结果，表明该技术在惯性约束聚变实验中应用的可能性。     

惯性约束聚变靶三维成象数值研究

利用ＣＴ技术，采用乘代数重建法（ＭＡＲＴ），编制出三维图象重建程序（ＣＴ３Ｄ，通过五个方位对“星光Ⅱ”装置的ＩＣＦ靶进行Ｘ光针孔成象，对三维重问题进行数值研究，以便重建出靶等离了体的三维图象。     

惯性约束聚变点火靶候选靶丸特点及制备研究进展

获得能量增益实现点火是目前激光惯性约束聚变领域研究的主要方向和标志性成果. 在点火靶的设计中有多种可能的候选靶丸,包括碳氢掺杂锗、铍掺杂铜、聚酰亚胺、 碳化硼和金刚石靶丸,其中碳氢和铍靶丸是最主要的候选靶丸.文中主要总结了几种候选靶丸的优缺点及目前研制现状.在国外,碳氢靶丸是目前点火靶的首选靶丸. 与铍靶丸相比,不存在明显的微结构缺陷,制备较容易;靶丸光学透明, 适宜于燃料分层和表征;靶丸在制备上更容易达到点火靶要求. 美国的碳氢点火靶靶丸基本达到了设计要求,这些要求包括几何尺寸、壳层密度、 壳层缺陷、表面光洁度、掺杂水平和杂质含量等.我国的点火靶靶丸研究还处在起步阶段.     

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。     

美国激光惯性约束聚变能源研究综述

简要地介绍了美国激光惯性约束聚变能源( LIFE ) 的研究现状与发展前景。基于美国国家点火装置( NIF ) 的近期进展,美国利弗莫尔实验室提出了激光惯性约束聚变能源设想,并开始了分解研究。设想用新型二极管泵浦固体激光器产生1.4~2.0 MJ 的激光能量,靶丸聚变增益25~30,打靶频率10~15Hz,实现350~500 MW聚变功率,相当于聚变中子源强1.3×1020 ~1.8×1020 n/s。以此驱动次临界裂变包层,使能量再倍增4~10 倍,实现1 GW电功率的输出。采用创新设计的燃料元件,包层可达到90%以上的燃耗深度,形成一个安全、无碳、燃料资源丰富、核废料少、可持续发展的新型核能源系统。In this paper the present study situation and prospect of the American laser-based Inertial Confinement Fusion Energy ( LIFE ) are briefly introduced. It is based on recent progress of National Inertial Facility ( NIF ) and related research have begun. On the assumption of using laser energy of 1.4 to 2.0 MJ, the target fusion gain G=25~30, the repetition rate 10 to 15 Hz, the fusion power of 350 to 500 MW or neutron source power of 1.3×1020 to 1.8×1020 n/s could be achieved. For a sub-critical fission blanket driven by this fusion neutrons power, energy multiplication M of 4~10 and several GW of thermal power could be obtained. By novel design on fuel pins, burnup more than 90% would be achieved for heavy metals in the blanket. Inertial Confinement Fusion-fission energy is a promising concept, which characterized by inherent safety, richness in nuclear fuel resources, minimization of nuclear waste, non-CO2 emitting ,and it is a sustainable energy source.     

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。     

压缩感知技术在激光惯性约束聚变研究中的应用

激光驱动惯性约束聚变（ICF）研究是当前国际前沿科学中一个具有挑战性的研究领域,它以高能激光作为驱动源,在极短的时间内将大量能量注入靶丸中使聚变材料达到高温高密度的状态从而在靶丸中心形成热斑并引燃整个燃料层,最终实现可控核聚变。由于内爆热斑直径为50～100 μm,其持续时间为100～200 ps,离子温度达到5 keV,压力可达4.0×1016 Pa。因此,发展极端瞬态条件下的诊断技术具有重要意义。介绍了两种基于压缩感知技术的诊断方法,第一种是基于数字微镜阵列（DMD）进行编码的反射式可见光压缩感知技术,这种技术将现有的一维任意反射面速度干涉仪（VISAR）与压缩超快成像（CUP）系统相结合,有望实现一种全新的具有高时间分辨的二维VISAR诊断技术,将诊断维度从一维扩展至二维,同时它克服了现有的二维VISAR单幅成像的缺点,有望实现对内爆压缩过程流体力学不稳定性演化过程的连续诊断。由于基于DMD进行编码的反射式可见光压缩感知技术只能用于可见光波段,无法用于紫外与X光波段,为此还发展了一种透射式压缩感知技术。这种透射式压缩感知技术采用一种新颖的透射式元件实现对待测信号的编码,可以实现对紫外和X光波段信号的二维超快探测,有望实现对内爆热斑超快时空演化过程进行精密诊断。此外,针对单通道CUP技术的高时间分辨的优势和低空间分辨的不足,还提出了多通道编码、分别扫描、解码、再合成的全新的高时空分辨诊断系统基本思路,有望实现高时间分辨的同时,实现高空间分辨的二维新型诊断技术。     

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。     

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.     

Progress in direct-drive inertial confinement fusion research at the laboratory for laser energetics

Direct-drive inertial confinement fusion (ICF) is expected to demonstrate high gain on the National Ignition Facility (NIF) in the next decade and is a leading candidate for inertial fusion energy production. The demonstration of high areal densities in hydrodynamically scaled cryogenic DT or D₂ implosions with neutron yields that are a significant fraction of the “clean” 1-D predictions will validate the ignition-equivalent direct-drive target performance on the OMEGA laser at the Laboratory for Laser Energetics (LLE). This paper highlights the recent experimental and theoretical progress leading toward achieving this validation in the next few years. The NIF will initially be configured for X-ray drive and with no beams placed at the target equator to provide a symmetric irradiation of a direct-drive capsule. LLE is developing the “polar-direct-drive” (PDD) approach that repoints beams toward the target equator. Initial 2-D simulations have shown ignition. A unique “Saturn-like” plastic ring around the equator refracts the laser light incident near the equator toward the target, improving the drive uniformity. LLE is currently constructing the multibeam, 2.6-kJ/beam, petawatt laser system OMEGA EP. Integrated fast-ignition experiments, combining the OMEGA EP and OMEGA Laser Systems, will begin in FY08.     

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．     

神光系列装置激光聚变实验与诊断技术研究进展

文章主要介绍了国内自2000年以来的激光惯性约束聚变(ICF)实验研究以及诊断技术研究的进展,主要内容为神光Ⅱ激光装置上的实验,也对刚建成不久的神光Ⅲ原型装置上的实验作简要介绍,此外,文章还介绍了神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上近期发展的诊断技术和设备.文章作者在神光Ⅱ激光装置上开展了多项的物理实验研究,其中包括黑腔物理、内爆物理、流体动力学不稳定性、辐射不透明度以及辐射驱动冲击波等,并取得了重要的进展.在X射线单能成像、Thomson探针、无高级衍射的单级衍射光栅等新型关键诊断技术与尖端设备研制方面也取得了显著进展.     

神光系列装置激光聚变实验与诊断技术研究进展

文章主要介绍了国内自2000年以来的激光惯性约束聚变（ICF）实验研究以及诊断技术研究的进展,主要内容为神光II激光装置上的实验,也对刚建成不久的神光III原型装置上的实验作简要介绍,此外,文章还介绍了神光II和神光III原型装置上近期发展的诊断技术和设备.文章作者在神光II激光装置上开展了多项的物理实验研究,其中包括黑腔物理、内爆物理、流体动力学不稳定性、辐射不透明度以及辐射驱动冲击波等,并取得了重要的进展.在X射线单能成像、Thomson探针、无高级衍射的单级衍射光栅等新型关键诊断技术与尖端设备研制方面也取得了显著进展.     

Diagnostic technique for measuring fusion reaction rate for inertial confinement fusion experiments at Shen Guang-III prototype laser facility

A study is conducted using a two-dimensional simulation program(Lared-s)with the goal of developing a technique to evaluate the effect of Rayleigh–Taylor growth in a neutron fusion reaction region.Two peaks of fusion reaction rate are simulated by using a two-dimensional simulation program(Lared-s)and confirmed by the experimental results.A neutron temporal diagnostic(NTD)system is developed with a high temporal resolution of~30 ps at the Shen Guang-III(SG-III)prototype laser facility in China,to measure the fusion reaction rate history.With the shape of neutron reaction rate curve and the spherical harmonic function in this paper,the degree of Rayleigh–Taylor growth and the main source of the neutron yield in our experiment can be estimated qualitatively.This technique,including the diagnostic system and the simulation program,may provide important information for obtaining a higher neutron yield in implosion experiments of inertial confinement fusion.