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。     

神光Ⅱ装置靶丸内爆过程X射线背光照相实验研究

在神光Ⅱ装置上,8路激光注入金柱腔靶产生X射线驱动位于柱腔中心的DD靶丸内爆,第9路激光辐照Pd背光靶产生的L线X射线透视内爆靶丸,用针孔成像方式获得靶丸的透视图像,高速X射线条纹相机记录靶丸透视图像,建立了间接驱动内爆靶丸背光照相的实验方法,清晰地观测到了靶丸内爆的过程,对透视图像分析获得了内爆靶丸壳层运动轨迹和速度的实验数据,所获实验结果可用于间接驱动靶丸优化设计,还可用于内爆动力学数值模拟建模和计算结果的验证。     

神光Ⅱ装置靶丸内爆过程X射线背光照相实验研究北大核心CSCD

在神光Ⅱ装置上,8路激光注入金柱腔靶产生X射线驱动位于柱腔中心的DD靶丸内爆,第9路激光辐照Pd背光靶产生的L线X射线透视内爆靶丸,用针孔成像方式获得靶丸的透视图像,高速X射线条纹相机记录靶丸透视图像,建立了间接驱动内爆靶丸背光照相的实验方法,清晰地观测到了靶丸内爆的过程,对透视图像分析获得了内爆靶丸壳层运动轨迹和速度的实验数据,所获实验结果可用于间接驱动靶丸优化设计,还可用于内爆动力学数值模拟建模和计算结果的验证。     

神光Ⅲ主机高能X射线背光照相研究

在惯性约束聚变研究中获得滞止阶段内爆靶丸芯部状态图像具有极其重要的意义和价值。高功率密度拍瓦装置打击高Z金属靶产生轫致X射线（70 keV）光源,并利用康普顿背光照相获取该图像是重要的诊断方法。基于神光Ⅲ主机装置483 kJ的驱动能力开展相关背光照相性能研究。结合国外相关实验结果和数值模拟计算方法分别从光源亮度以及内爆过程产生的噪声分析入手,从理论上设计了整套康普顿成像系统。结果表明在神光Ⅲ主机上利用康普顿背光照相可以获得高质量的内爆压缩靶丸滞止阶段图像。     

小收缩比内爆实验初步研究

在神光III原型装置上,利用8路激光间接驱动充高气压DT靶丸,开展小收缩比内爆实验.实验中测量得到中子产额、离子温度、聚变反应速率峰值时刻(bangtime)等关键物理量,以及它们随烧蚀层厚度变化的规律.从定性和定量两个方面对实验结果进行了分析讨论,推测流体力学不稳定性和内爆不对称性是导致实验结果与一维辐射流体计算结果不一致的原因.     

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%.     

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     

在间接驱动内爆实验中采用花生腔增强对称性调控

在100 kJ激光装置上开展了基于三台阶整形脉冲的间接驱动惯性约束聚变内爆实验研究.采用传统充气直柱金壁黑腔设计,在激光脉冲作用后期,腔内金等离子体运动对激光能量沉积和X光辐射场空间分布产生严重扰动,导致靶丸赤道驱动偏弱,形成不可接受的扁圆内爆.本文采用新型的花生腔设计,通过调节外环激光光斑及其产生的金泡的初始位置,补偿和缓解金等离子体运动对黑腔X光辐射分布产生的扰动影响,获得球对称的靶丸辐射驱动.在靶丸驱动辐射温度相同的条件下,由于驱动对称性得到显著改善,实验观测到花生腔内爆热斑接近球形,中子产额的测量结果与内爆一维模拟计算结果的比值(YOS)达到30%;而直柱腔内爆热斑呈现扁圆形状, YOS仅为13%.模拟计算和实验结果一致表明,在三台阶整形脉冲驱动内爆实验中,花生腔设计可以有效抑制外环金泡膨胀加剧产生的不利因素,增强辐射驱动和内爆对称性调控,并提高内爆性能.     

神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比对靶丸辐照不均匀度的影响

 讨论了神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比（腔长与直径之比）对靶丸辐照不均匀度的影响。根据神光-Ⅲ主机设计参数,计算了黑腔内侧激光光斑参数。利用视角因子方法,分析了一个简化的双锥环辐照模型下靶丸表面辐照不均匀度随黑腔长径比的变化,讨论了腔壁反照率、内外环激光功率比和光斑移动等因素对最佳长径比和不均匀度的影响。计算表明,合理选择长径比能使靶丸表面辐照不均匀度小于1%,最佳长径比与NIF点火黑腔设计值基本相符。     

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。     

神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比对靶丸辐照不均匀度的影响北大核心CSCD

讨论了神光-Ⅲ主机内爆柱腔靶长径比(腔长与直径之比)对靶丸辐照不均匀度的影响。根据神光-Ⅲ主机设计参数,计算了黑腔内侧激光光斑参数。利用视角因子方法,分析了一个简化的双锥环辐照模型下靶丸表面辐照不均匀度随黑腔长径比的变化,讨论了腔壁反照率、内外环激光功率比和光斑移动等因素对最佳长径比和不均匀度的影响。计算表明,合理选择长径比能使靶丸表面辐照不均匀度小于1%,最佳长径比与NIF点火黑腔设计值基本相符。     

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。     

引入守恒格式的自相似解进行ICF辐射驱动时变对称性分析

引入守恒格式的自相似解计算黑腔X射线能流时空分布,通过视角因子方法计算靶丸表面入射能流分布,从而进行惯性约束聚变辐射驱动时变对称性分析。分析了光斑运动、激光脉冲波形及靶丸装配偏差对靶丸辐照均匀性的影响。以二阶分量时间积分值为优化目标,最佳腔长计算值与内爆对称性调节实验结果相符,内爆腔靶组合参数扫描得到的最佳长径比与NIF目前实验值相当,模型有效性得到验证。     

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.     

基于激光驱动等离子体X光源的X射线相衬成像

为了诊断惯性约束聚变(ICF)内爆靶丸球壳的多层信息,在神光Ⅱ激光器上对激光驱动等离子体X光源的相衬成像进行了研究。利用神光Ⅱ第9路激光驱动平面Ti靶获得X光源,在10μm的针孔约束下作为次级点光源对样品成像,用X光胶片记录。成功地将相衬成像技术应用于ICF实验,综合考虑成像放大倍数、分辨力、成像衬度和抑制烧蚀碎片等因素,选择合适的实验条件,成功获得了清晰的双层内爆靶丸球壳结构,空间分辨力优于10μm。     

利用时间分辨Ar的K壳层发射光谱诊断内爆靶丸芯区电子温度的时间演化过程

在神光Ⅱ装置上的内爆实验中,通过在充氘气(D2)的靶丸中掺入氩(Ar)元素,利用晶体谱仪配条纹相机测量得到了内爆停滞阶段Ar的K壳层发射光谱随时间的变化。在实验中,观测到Ar的Heα,Heβ以及Lyα线发射,持续时间大约200ps。用Heα线与Lyα线强度比值来推断靶丸芯区电子温度。利用碰撞辐射模型,从理论上计算出Heα线与Lyα线强度比值随电子温度、数密度的变化。通过将实验上观测到的Heα线与Lyα线强度比与理论计算值相比较,获得了芯区电子温度随时间的演化。并计算比较了不同电子密度条件下推断出来的电子温度的差异,证明诊断电子温度的方法对电子数密度的变化不敏感。利用逃逸因子修正了自吸收效应,从计算的结果可以看出在目前的实验中Heα线和Lyα线是光学薄的。     

Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学

利用Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆是实现惯性约束聚变可能的技术途径之一.聚龙一号装置已开展的动态黑腔实验初步表明形成了有效的动态黑腔辐射场,为驱动靶丸内爆研究奠定了重要基础.针对聚龙一号装置驱动条件,通过建立包含柱形动态黑腔与球形靶丸的柱球耦合物理模型,利用二维辐射磁流体力学程序,对Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学过程进行了数值模拟研究,获得了丝阵等离子体内爆、丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用、冲击波产生和黑腔辐射传输、辐射烧蚀和燃料压缩的完整过程.在此基础上,研究了靶丸赤道面和两极的辐射源均匀性及燃料压缩对称性.结果表明,由于在泡沫转换体中的辐射传输以及黑腔-靶能量耦合过程,靶丸赤道面与两极辐射波形存在一定的时间差和峰值差,造成燃料压缩不对称.若减小靶丸半径,可以提高燃料压缩的对称性,但靶丸半径很小时聚变产额也较低;靶丸半径较大时,由于靶丸赤道面和两极辐射场时间和温度峰值的较大差异,燃料压缩呈现更为明显的不对称性.     

间接驱动的内爆不对称性随腔长和时间变化的研究

在激光间接驱动惯性约束聚变中, 为达到高密度压缩以实现点火, 对靶丸内爆对称性和黑腔辐射场均匀性有严格的要求. 为了研究内爆不对称性随腔长和时间的变化, 实验中采用了三种不同尺寸的黑腔, 利用X光分幅相机观测了靶丸燃料区自发光, 获得了压缩变形过程和椭圆度变化规律, 初步判断了在三种腔型中腔长1700 μm 的黑腔较接近神光Ⅲ原型装置内爆对称性要求. 根据视角因子程序计算得到辐射流不对称性随时间变化情况, 通过一个简化的解析模型推导出内爆形变不对称性随时间变化过程, 与实验结果大致符合. 由此进一步分析了黑腔辐射场不均匀性的演化导致内爆不对称性随腔长和时间变化的物理机制. 关键词： 内爆不对称性 黑腔辐射场不均匀性 腔长 视角因子程序     

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。     

神光Ⅱ装置上辐射驱动瑞利-泰勒不稳定性实验

在神光Ⅱ装置上开展了辐射驱动RT不稳定性的一系列实验,获得了不同初始扰动幅度、不同扰动波长、不同材料样品等条件下辐射烧蚀RT不稳定性增长的高时空分辨背光图像,特别是在大初始扰动幅度样品实验中获得了扰动增长的清晰图像,观察到了扰动增长从线性区到非线性区的过渡过程,二次和三次谐波的产生和发展清楚可见。充实了数值模拟程序考核的实验数据库,对间接驱动ICF点火靶设计和研究具有重要作用。