A simple analytical model of laser direct-drive thin shell target implosion

A high-neutron yield platform imploded by a thin shell target is generally built to probe nuclear science problems, and it has the advantages of high neutron yield, ultrashort fusion time, micro fusion zone, isotropic and monoenergetic neutron. Some analytical models have been proposed to interpret exploding-pusher target implosion driven by a long wavelength laser, whereas they are imperfect for a 0.35 μm laser implosion experiment. When using the 0.35 μm laser, the shell is ablated and accelerated to high implosion velocity governed by Newton's law, ablation acceleration and quasi-adiabatic compression models are suitable to explain the implosion of a laser direct-drive thin shell target. The new analytical model scales bang time, ion temperature and neutron yield for large variations in laser power, target radius, shell thickness, and fuel pressure. The predicted results of the analytical model are in agreement with experimental data on the Shenguang-III prototype laser facility, 100 kJ laser facility, Omega, and NIF, it demonstrates that the analytical model benefits the understanding of experiment performance and optimizing the target design of high neutron yield implosion.     

ICF中子发射时间诊断

 对ICF中子发射时间的诊断技术进行了研究,研制了基于快闪烁体和微通道板式光电倍增管的中子发射时间探测器。在某大型激光原型装置上进行了中子发射时间的实验测量,成功获得多发实验的中子发射时间与打靶激光脉冲的时间及中子发射时间之间的关系。实验结果表明：中子发射时间探测器对DT中子和DD中子都能够响应,中子产额测量下限达到10⁷,时间测量不确定度小于20 ps;CH烧蚀层越厚,中子发射时间越长。     

氘氘-塑料靶丸变收缩比内爆物理实验研究

在神光III原型装置上利用8路6400 J/1 ns激光注入Φ1100 μm×1850 μm的黑腔内产生约200 eV的高温辐射场均匀辐照填充氘氘燃料的靶丸实现内爆. 实验中, 保持靶丸的内径一致, 通过改变靶丸烧蚀层厚度的方式实现不同收缩比的内爆. 通过闪烁体探测器、分幅相机等多套诊断设备获取了中子产额、X光bang-time (聚变反应产生X光时刻)、飞行轨迹、热斑形状等关键内爆参数. 结合一维数值模拟表明: 对于小收缩比内爆, 受到非一维因素的影响小, 其YOC_1D(实验测量中子产额与干净一维数值模拟计算结果之比)可以达到34%; 对于中等收缩比内爆, 受到非一维因素的影响显著, 其YOC_1D仅仅为2.3%.     

靶丸支撑膜对ICF内爆性能影响的模拟研究

使用二维多群辐射扩散流体力学程序LARED-S，模拟研究靶丸支撑膜在惯性约束聚变氘氘（DD）气体靶内爆过程中的扰动演化过程及其对内爆性能的影响.二维模拟表明：靶丸支撑膜显著降低DD气体靶内爆的中子产额，二维模拟产额为一维结果的55.2%.内爆性能下降的主要物理机制是支撑膜使靶壳生成大幅度的尖钉深入DD气体区，使烧蚀层与DD气体之间物质界面处的电子热传导漏失功率显著增大，导致DD核反应速率显著降低，中子反应速率峰值时刻（bang-time时刻）提前.相比一维理想内爆的模拟结果，支撑膜引入的扰动显著降低bang-time时刻DD气体压强与内爆动能转化为DD气体内能的效率，壳层剩余动能相应大幅增加.     

基于纯冲击波聚心的准一维氘氘内爆物理实验

在神光Ⅲ原型装置上利用八路6400J/1ns激光注入1100μm×1850μm的黑腔内产生210eV的高温辐射场,均匀辐照填充氘氘燃料的靶丸实现内爆。实验中选择高气压薄壳靶丸实现纯冲击波聚心内爆。通过闪烁体探测器、中子条纹相机等多套诊断设备获取了中子产额、聚变反应时刻等关键内爆参数。结合一维数值模拟表明,实验测量的中子产额与干净一维数值模拟计算的中子产额之比达到90%;同时通过人为破坏内爆对称性等方式表明,该设计下内爆中子产生机制集中于冲击波聚心,其内爆性能受到高维因素影响极低,从而实现了准一维内爆。     

Results of radius scaling experiments and analysis of neon K-shellradiation data from an inductively driven Z-pinch

The K-shell radiated energy (yield) from neon Z-pinch implosions with annular, gas-puff nozzle radii of 1, 1.75, and 2.5 cm was measured for implosion times from 50 to 300 ns while systematically keeping the implosion kinetic energy nearly constant. The implosions were driven by the Hawk inductive-storage generator at the 0.65-MA level. Initial neutral-neon density distributions from the nozzles were determined with laser interferometry. Measured yields are compared with predictions from zero-dimensional (0-D) scaling models of ideal. One-dimensional (1-D) pinch behavior to both benchmark the scaling models, and to determine their utility for predicting K-shell yields for argon implosions of 200 to >300 ns driven by corresponding currents of 4 to 9 MA, such as envisioned for the DECADE QUAD. For all three nozzles, the 0-D models correctly predict the Z-pinch mass for maximum yield. For the 1and 1.75-cm radius nozzles, the scaling models accurately match the measured yields if the ratio of initial to final radius (compression ratio) is assumed to be 8:1. For the 2.5-cm radius nozzle, the measured yields are only one-third of the predictions. Analysis of K-shell spectral measurements suggest that as much as 70% (50%) of the imploded mass is radiating in the K-shell for the 1-cm (1.75-cm) radius nozzle. That fraction is only 10% for the 2.5-cm radius nozzle. The 0-D scaling models are useful for predicting 1-D-like K-shell radiation yields (better than a factor-of-two accuracy) when a nominal (≈10:1) compression ratio is assumed. However, the compression ratio assumed in the models is only an “effective” quantity, so that further interpretations based on the 0-D analysis require additional justification. The lower-than-predicted yield for the 2.5-cm radius nozzle is associated with larger radius and not with longer implosion time, and is probably a result of two-dimensional effects     

氘氘冰层贯穿性缺陷对ICF冷冻靶内爆性能的影响

使用二维多群辐射扩散流体力学程序LARED-S, 模拟研究DD冰贯穿性缺陷在方波驱动DD冷冻靶内爆过程中的演化行为及其对内爆性能的影响。模拟结果表明: DD冰层贯穿性缺陷显著降低DD冷冻靶内爆的中子产额, 二维模拟产额仅为一维结果的23.8%。DD冰层贯穿性缺陷使靶丸CH(Si)的烧蚀层生成大幅度的尖钉, 穿透到芯部热斑区。在中子bang-time时刻, 热斑区混入了487 ng的烧蚀物质, 使芯部韧致辐射漏失功率相对一维理想内爆显著升高, 离子温度与DD核反应速度相应降低。同时, 高密度的烧蚀层尖钉把DD热斑推离球心, 显示明显的P1不对称性, 而且高温热斑具有定向流动速度, 降低了内爆动能转化为热斑内能的效率。     

电作用量在磁驱动固体套筒内爆设计分析中的应用

磁驱动固体套筒内爆作为标准柱面冲击/准等熵汇聚压缩加载方式,在流体动力学、材料物性和聚变能源等领域具有广泛应用前景.在特定加载条件下,套筒飞层材料、半径和厚度的选择决定了套筒内爆力学行为,而电流烧蚀限制了所能选择的参数范围.通过薄壁套筒假定引入作为动力学参量的电作用量概念,利用不可压缩零维模型给出了低线电流密度下薄壁套筒尺寸优化设计方法和套筒飞层材料选择的原则;将修正后的电阻率-电作用量模型嵌入自编的一维弹塑性磁流体力学程序SOL1D进行模拟计算,分别与FP-1装置及ZR装置上的实验结果进行比对,表明在大径厚比和低线电流密度加载下,利用电作用量估算内爆速度及利用电爆炸丝实验获取的各阶段电作用量判断套筒物理状态是有效的.     

神光Ⅲ主机双束组激光间接驱动内爆实验研究

在神光Ⅲ主机装置上,利用已经建成的两个激光束组,开展了激光间接驱动内爆物理磨合实验,是神光Ⅲ主机装置首次出中子实验。实验采用1400μm×2100μm黑腔,500μm的塑料靶丸充1 MPa的DD燃料,激光从黑腔两端55°注入。实验获得的最高中子产额为9.7×108。实验结果表明,实验黑腔的耦合效率约为50%;使用的黑腔偏长,靶丸被压缩为"薄饼形";中子产额和激光能量正相关;中子发射峰值时刻主要依赖于烧蚀层厚度。     

An improved method of unfolding neutron TOF spectrum for low ion temperature inertial confinement fusion

The fuel ion temperature in inertial confinement fusion can be determined from the neutron energy spectrum. For the implosion experiment with low neutron yield, and thus low signal-to-noise ratio, a new technique to unfold the neutron energy spectrum from the observed neutron time-of-flight signal is presented in this paper. This method uses a low-pass filter to remove noise from the signal with a threshold value determined by power spectrum analysis. This technique has been applied to the analysis of the observed neutron time-of-flight signals in the indirect drive implosion experiment conducted on Shenguang Ⅲ prototype laser facility, and fuel ion temperatures of about 1.0 keV are obtained.     

点火靶高熵内爆的数值模拟

使用一维多群输运程序RDMG与二维少群扩散程序LARED-S对点火靶高脚与低脚内爆进行数值模拟.相对于低熵内爆,高脚高熵内爆通过提高预脉冲的辐射温度使得烧蚀面与物质界面的流体稳定性得到明显的改善,能够抑制流体不稳定的增长与热斑混合的发展.同时,高熵设计导致燃料的压缩变差,阻滞时刻燃料的压缩密度与面密度相应降低,中子产额降低.因此,高脚高熵内爆是通过牺牲燃料的高压缩,来换取靶丸内爆流体稳定性能的改善.     

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。     

基于中子飞行时间法的ICF内爆热斑离子温度诊断技术北大核心CSCD

在惯性约束聚变研究中,内爆热斑离子温度反映了热斑能量的高低,对内爆对称性和内爆速度等物理量十分敏感,是理解内爆物理过程不可或缺的重要参数。介绍了一种基于中子飞行时间法的ICF内爆热斑离子温度诊断技术。建立了一种采用塑料闪烁探测器作为中子测量器件的快时间响应中子飞行时间谱仪。谱仪输出时间波形的半高全宽小于1.1ns,上升时间约为0.5ns。描述了基于反卷积运算和低通滤波的飞行时间谱解谱方法。在神光Ⅲ原型装置较低的中子产额和离子温度条件下通过这种诊断技术成功获得了内爆热斑离子温度。     

用于直接驱动的快速变焦新方案

在直接驱动方式的惯性约束聚变装置中, 实现中心点火对靶丸的辐照均匀性要求极高. 然而, 在激光脉冲持续时间内, 由于激光与靶丸的相互作用致使靶丸逐渐缩小, 从而导致辐照均匀性降低以及交叉光束能量转移等不利因素增强, 进而影响点火的进展. 为此, 提出了用于直接驱动的快速变焦新方案, 即利用特殊设计的电光晶体及电极结构, 对激光束附加一个实时、快速变化的球面波前, 以控制打靶激光束的聚焦位置和焦斑大小, 从而达到提高靶面辐照均匀性和抑制交叉光束能量转移的目的. 通过建立快速变焦的理论模型, 并基于激光与靶丸相互作用物理过程的分析, 对焦斑尺寸、附加球面波曲率半径等参数随时间的变化规律进行了数值模拟和分析. 结果表明, 本文提出的快速变焦方案可有效地实现对焦斑与靶丸半径比的实时控制, 且对空间滤波器滤波效果及三倍频转换效率并无明显影响.     

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。     

高时间分辨的聚变反应峰值时刻测量

聚变反应峰值时刻是表征惯性约束聚变热核反应的重要参数。在神光Ⅲ原型装置上利用新研制的具有高时间分辨的聚变反应历程测量系统对聚变反应时间过程进行了测量,通过引入时标光获得了对应不同碳氢（CH）烧蚀层厚度的聚变反应峰值时刻数据,测量结果表明:在当前的实验条件下,聚变反应峰值时刻落后入射激光0.7~1.0 ns,增加烧蚀层厚度或氘氚（DT）燃料气压均会导致聚变反应峰值时刻与入射激光间的相对延时增加。     

塑料闪烁探测器测量辐射驱动内爆的中子产额

本文介绍了在ＬＦ－１２装置上，用塑料闪烁探测器诊断辐射驱动内爆低产额中子的过程，并讨论了中子产额与靶型及靶参数的关系。结果表明，在ＬＦ－１２装置上，对不同的靶，激光辐射驱动内爆的中子产额为１０＾３－１０＾５。     

准球形电磁内爆动力学研究及能量定标关系浅析

通过改变Z箍缩负载的初始形状和/或质量密度分布,可以实现等离子体的准球形聚心内爆.同柱形箍缩相比,准球形电磁内爆可以将内爆动能集中加载至负载中心较小的空间区域内,获得更高的能量密度,从而在驱动Z箍缩动态黑腔实现聚变点火方面具有潜在优势.准球形电磁内爆的负载和电极结构比柱形Z箍缩更复杂,球面收缩的几何特点使其内爆动力学过程和能量定标关系显著区别于柱形内爆.本文利用解析的薄壳模型推导并分析了理想条件下准球形电磁内爆的动力学行为和能量定标关系,并同二维磁流体力学模拟结果进行了比较.与柱形Z箍缩内爆相比,准球形电磁内爆的动能不仅与驱动电流有关,而且敏感地依赖于负载的初始尺寸.在不显著降低驱动电流和内爆品质的前提下,适当增加负载的初始半径和最大纬度,有利于获得更多的内爆动能和能量加载密度.     

神光Ⅱ与神光Ⅲ原型上的辐射驱动小收缩比内爆靶设计

本文建立辐射驱动小收缩比(5至10倍)的内爆靶丸的设计方法,并利用辐射流体力学程序Multi-1d对神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置的辐射驱动小收缩比内爆靶丸进行模拟计算,设计出小收缩比内爆靶丸的构形,计算结果给出压缩比、中子产额、压缩面密度随燃料压力变化等内爆物理参量.神光Ⅱ装置上的内爆靶燃料分别采用DD气体和DT气体两种;神光Ⅲ原型装置的内爆靶燃料采用DD气体.神光Ⅱ上小收缩比内爆实验结果与模拟结果基本一致,表明Multi-1d用于设计此类实验的可靠性. 关键词： 辐射驱动 小收缩比 内爆 面密度     

Z箍缩等离子体内爆实验金属丝阵负载优化设计分析

金属丝阵Z箍缩(Z-pinch)内爆是产生强x射线辐射的重要方法之一.在一定脉冲功率加速器条件下，金属丝阵质量和丝阵半径的选择决定了Z-pinch内爆等离子体辐射产额的大小.采用薄壳模型计算了不同丝阵质量、不同丝阵半径、不同粗细和不同材料金属丝构成的丝阵的内爆时间、内爆轨迹、内爆速度，以及最大动能和动能转换率，综合分析了丝间隙、内爆时间、动能转换率与丝阵质量和丝阵半径的关系，给出了在一定负载驱动电流条件下，金属丝阵的最佳参数.分析表明计算结果与实验上观察得到的内爆规律一致. 关键词： Z-pinch内爆等离子体 金属丝阵负载 薄壳模型