辐射驱动气体靶丸压缩过程数值模拟

 利用整形脉冲驱动内爆是实现燃料高收缩比压缩的有效方法。单脉冲辐射驱动冲击波压缩气体靶动力学过程可分为冲击波压缩、近等熵压缩、压缩降温和膨胀降温4个阶段，其中近等熵压缩阶段是获得燃料高密度的关键。通过改变第一个台阶结束时间，可找到合适的双台阶辐射整形脉冲驱动内爆，获得比单一脉冲驱动更高的压缩密度。数值模拟结果显示：利用第1个台阶产生的冲击波多次压缩燃料，同时逐步提高燃料区压强，这样第2个冲击波传入燃料区时的强度很弱，几乎不引起熵增，但能进一步压缩燃料。同样的原理可推广到多台阶整形脉冲驱动内爆压缩研究中。     

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.     

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.     

通过理论定标律研究激光间接驱动的参数空间

系统地梳理了激光间接驱动点火靶内爆压缩的物理过程,使用理论方法和一维流体力学模拟给出了靶丸内爆过程中的关键定标律公式。通过这些定标律公式获得了在给定黑腔辐射温度、飞行熵增因子、整形速度和烧蚀材料的条件下,靶丸装量——半径参数空间的点火岛区域。研究了靶丸性能参数随辐射温度、飞行熵增因子等的变化规律:当靶丸所处黑腔辐射温度升高时,内爆的稳定性将变好;设计上在靶丸装量不变的条件下,靶丸半径需要减小。当靶丸的飞行熵增因子增大时,内爆增益略微减小,内爆稳定性变好;但是点火阈值因子减小导致点火岛的区域变窄。当靶丸的整形速度增大时,点火岛的区域略微变大,内爆稳定性变化不显著;设计上在靶丸装量不变的条件下,需要增大靶丸半径,这会导致靶丸壳层形状因子变大。当改变靶丸烧蚀材料,提高质量烧蚀速率与烧蚀压时,能量增益变大且稳定性增强;设计上在靶丸装量不变的条件下,需要减小靶丸半径。     

间接驱动冷冻双壳层点火靶的设计和分析

双壳层靶中,由于燃料被高Z壳层包裹,其点火方式要求燃料整体点火,不同于单壳层中心热斑点火。结合点火条件和对于其中物理过程的认识,设计了间接驱动的冷冻双壳层点火靶。利用冷冻的氘氚(DT)燃料,可适当提高双壳层靶的燃料装量,获得和NIF装置条件下中心热斑点火靶相当的放能。间接驱动下,X射线烧蚀并驱动外壳层碰撞内壳层,把能量传递给内壳层,进而压缩和点燃冷冻的DT燃料。壳层碰撞过程是能量传递的关键,通过调整内外壳层的质量比,提高了碰撞效率,相应地降低了靶丸点火的能量需求。一维数值模拟分析了该点火靶的内爆过程及定性分析了其中的流体力学不稳定性。同时,也指出了泡沫中形成的辐射冲击波对内壳层的预热效应,即辐射冲击波的致稳效应,能够很好地抑制内壳层外界面处的不稳定性发展,进而会减弱高Z内壳层和燃料的混合。     

激光脉冲波形优化与材料压缩特性

 结合快点火靶丸预压缩涉及的基本物理问题,分析了驱动激光脉冲波形对材料压缩过程的影响,并利用辐射流体力学程序MULTI模拟了不同激光波形下的材料压缩情况。结果表明:通过调节激光脉冲波形,优化激光初始强度、激光强度开始上升时间和上升速度,控制压缩过程中的熵增,可以获得更高的材料压缩度。     

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。     

辐射热波实验观察

 以强激光加热腔靶形成的强X光辐射烧蚀Al薄膜介质，在国内首次用软X光能谱时间高分辨诊断技术观察到了辐射热波，测得了质量烧蚀率。实验还观察到了X光辐射驱动的冲击波信号，得到了相应的冲击波压力。     

X射线烧蚀泡沫-固体靶增压机理研究

X射线烧蚀泡沫-固体靶时界面失配会使得泡沫与固体靶中压力增加, 这一现象可用于研究高压下物质的状态方程. 本文以CH泡沫-Al固体靶为例, 研究了X射线烧蚀双层靶时的增压现象. 提出仅当泡沫中有冲击波产生时, 在固体靶中才会有增压现象出现. 文中基于冲击波强波近似, 理论分析了冲击波过界面情况与冲击波、稀疏波作用过程, 得到增压倍数与材料密度, 多方气体指数的近似表达式. 同时表明固体靶中增压产生的冲击波为高压脉冲, 会被紧跟热波的稀疏波追赶并稀疏. MULTI一维计算结果验证了该结论.     

多次冲击波压缩DT冰理论研究

 冲击波压缩DT是ICF内爆过程中的主要熵增因素,如何用有限数目的时间整形冲击波实现近等熵压缩过程是优化点火靶设计的关键。利用理想气体和实际DT状态方程,计算系列冲击波压缩后的熵增和密度变化,分析表明,当第一个冲击波压强不大于0.1 TPa,后续再用3个冲击波达到10 TPa,总熵增不影响点火靶DT压缩性能,增加冲击波个数对DT熵增和压缩度改善效果很小。     

Propagation of ion shock in solid DT target with nonlinear force-driven plasma blocks

The plasma block (piston) with pressure P ₁ is generated as a result of the nonlinear (ponderomotive) force in laser–plasma interaction. The plasma block can be used for the ignition of a fusion flame front in a solid density deuterium–tritium (DT) target by compressing the fuel that creates an ion shock propagating with velocity u _{ion? shock} in the inside of a solid DT target. The ignition is achieved by creating an ion shock during the final stages of the implosion. We estimated the effect of an ion shock in solid DT target at an early stage with no compression and at the last stage with compression, where density increases by a factor of solid-state density. According to the theoretical model, a large target with a very thin layer of fuel (high-aspect ratio target) would be ideal to obtain the very strong shocks. Results indicate that the maximum compression even by an infinitely strong single shock can never produce more than four times the initial density of DT fuel. The results reported that the threshold ignition energy in a solid DT target is reduced by a factor of 4.     

辐射温度与其驱动Al冲击波速度的定标关系研究

利用一维辐射流体力学程序,对不同脉冲波形的辐射温度与Al中冲击波速度关系进行模拟计算和分析.指出定标公式T_r=0.0126D^0.63主要适用于整形脉冲的辐射温度波形,而对高斯型和方波脉冲激光产生的辐射温度波形则不完全适用,通过计算给出修正的定标公式,且与自相似解得到的结果一致.另外对神光Ⅲ原型装置的整形脉冲辐射温度驱动Al样品冲击波轨迹进行了计算,得到第二个冲击波稳定传播所要求的Al样品的最小厚度.最后利用神光Ⅱ装置产生的辐射驱动冲击波,由修正的定标关系得到的辐射温度与软X射线能谱仪测量的辐射温度十分相符,从实验证实了修正定标关系的可靠性. 关键词： 辐射温度 冲击波速度 定标关系 整形脉冲     

基于现役装置的冲击点火可行性概念研究

以冲击点火物理特性的研究为基础, 分析冲击点火对高功率激光驱动器的物理需求, 然后从总体层面概括给出基于现役装置(神光III等间接驱动中心点火高功率激光装置) 研究冲击点火面临的关键技术问题. 研究表明, 基于现役装置的冲击点火主要面临两个层面的问题, 首先是非均匀光路排布下实现均匀辐照的工程层面问题, 其次是在现役装置上高效实现冲击点火激光脉冲的激光技术层面问题. 通过研究 分别对两个层面的问题提出相应的解决思路, 为后续研究奠定基础.     

基于速度干涉仪的冲击波精密调速实验技术研究

冲击波精密调速技术是惯性约束聚变研究的关键技术之一. 针对冲击波精密调速诊断技术的要求, 以神光III原型上脉宽为3 ns的两台阶整形激光脉冲为源, 用石英晶体做窗口材料, 模拟了双冲击在石英晶体中传输和追赶的过程. 利用两发典型双冲击波调速的实验数据, 验证了神光III原型具有的精密调速能力. 实验结果表明, 在驱动源、 靶和诊断系统参数一致的条件下, 两发实验获得的实验结果中两次冲击出现的时刻, 冲击波速度都很一致. 通过精细分析, 发现在两次冲击交会的时刻, 干涉条纹清晰度和完整性变化最大, 最终数据处理获得的冲击波速度偏差也最大. 同时, 在二次冲击的冲击波速度有较大增加的条件下, 并没有观察到冲击波阵面的反射率的明显增加. 本文的实验结果作为一个数据依据, 为全面开展冲击波调速实验提供了有效的方法.     

Z箍缩动态黑腔形成过程和关键影响因素数值模拟研究

在Z箍缩动态黑腔研究中, 认识黑腔形成物理过程及主要特征, 明确优化黑腔辐射的关键参数, 是实验物理设计的重要基础. 本文针对W丝阵填充CH泡沫转换体的负载构型, 利用一维辐射磁流体程序, 在8 MA驱动电流条件下开展了动态黑腔形成过程和关键影响因素的数值模拟研究. 结果表明, 丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用产生局部高压力区是驱动冲击波传播和形成动态黑腔的关键物理过程. 由于辐射超声速传播及其与冲击波波阵面的空间分离, 产生了辐射温度较高而物质未受明显压缩的动态黑腔区域. 丝阵等离子体碰撞泡沫转换体前的状态分布决定了动态黑腔辐射场的主要特征, 可以通过改变负载参数调整并优化黑腔辐射波形. 综合考虑黑腔峰值辐射温度和有效维持时间两个参数, 选择匹配质量的丝阵和泡沫, 使丝阵质量略小于泡沫, 可以获得相对优化的动态黑腔辐射波形. 同时, 合适的丝阵/泡沫初始半径比也是优化动态黑腔辐射的重要影响因素.     

Numerical Investigation Into the Highly Nonlinear Heat Transfer Equation with Bremsstrahlung Emission in the Inertial Confinement Fusion Plasmas

A highly nonlinear parabolic partial differential equation that models the electron heat transfer process in laser inertial fusion has been solved numerically. The strong temperature dependence of the electron thermal conductivity and heat loss term (Bremsstrahlung emission) makes this a highly nonlinear process. In this case, an efficient numerical method is developed for the energy transport mechanism from the region of energy deposition into the ablation surface by a combination of the Crank‐Nicolson scheme and the Newton‐Raphson method. The quantitative behavior of the electron temperature and the comparison between analytic and numerical solutions are also investigated. For more clarification, the accuracy and conservation of energy in the computations are tested. The numerical results can be used to evaluate the nonlinear electron heat conduction, considering the released energy of the laser pulse at the Deuterium‐Tritium (DT) targets and preheating by heat conduction ahead of a compression shock in the inertial confinement fusion (ICF) approach. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

On the possibility of target plasma ignition under the conditions of inertial nuclear fusion

The thermonuclear gain G for bulk and spark ignitions are calculated using a mathematical simulation of thermonuclear combustion in a DT plasma of laser targets for various parameters of the target plasma and (isobaric and isochoric) ignitors. The critical parameters of ignitors at which an effective nuclear burst occurs with G ～ 100 are calculated. It is shown that a further increase in the temperature and size of the ignitors virtually does not affect the efficiency of DT fuel burnup. Irrespective of the ignition technique, the value of G can be estimated with the help of a simple asymptotic formula. At the same time, the critical parameters of ignitors are determined to a considerable extent by the mode of ignition and by the target parameters. Spark ignition with an isochoric ignitor corresponding to the fast ignition mode is considered in detail. It is shown that the main critical parameter for optimal isochoric ignitors is their thermal energy liberated upon absorption of an auxiliary ultrashort laser pulse. The critical values of this energy are calculated.