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。     

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2 ns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。     

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。     

惯性约束聚变等离子体的光谱诊断

利用经过评估的原子过程参数，针对惯性约束聚变等离子体计算了等离子体中的特征发射光谱，研究发现离子特征谱线的共振线强度比值、伴线与共振线强度比值对等离子体温度变化很敏感，而特征谱线的线形函数对等离子体密度变化较敏感．基于这些规律，我们分析了中国工程物理研究院最近几年惯性约束聚变的内爆实验测量结果，初步得到了一些发次对应的等离子体温度和密度状态．     

惯性约束聚变等离子体的光谱诊断

利用经过评估的原子过程参数,针对惯性约束聚变等离子体计算了等离子体中的特征发射光谱.研究发现离子特征谱线的共振线强度比值、伴线与共振线强度比值对等离子体温度变化很敏感,而特征谱线的线形函数对等离子体密度变化较敏感.基于这些规律,我们分析了中国工程物理研究院最近几年惯性约束聚变的内爆实验测量结果,初步得到了一些发次对应的等离子体温度和密度状态.     

惯性约束聚变中内爆混合的模型构建

从热斑质量方程和能量守恒方程入手,重新计算考虑混合后聚变燃料的比内能和比热容等热力学参数,分析混合效应在轫致辐射损失等能量输运方面的作用,构建有杂质混合情况的热斑燃烧动力学模型.根据静态模型中的热斑燃烧的功率平衡条件,研究烧蚀层杂质混合比例与点火阈值和热斑自持燃烧的关系.理论分析和数值计算表明,混合效应导致热斑中的轫致辐射增强是点火失败的重要因素之一.通过调整不同掺杂材料、混合浓度及混合方式,得到壳层混合与热斑面密度、热斑离子温度的演化之间的关系.最后,基于模拟结果给出两种降低混合影响的方法.     

层析技术在惯性约束聚变实验中的应用

综述了适用于惯性约束聚变（ＩＣＦ）实验的层析技术，并已用于“星光Ⅱ”装置激光等离子体的实验Ｘ光测量结果分析，重建出Ｘ光的三维分布，获得了有意义的结果，从而表明了该技术在ＩＣＦ实验中应用的可能性． A CT technique applied to ICF experiments has been studied and it has been used to analize the measured X ray in laser plasma experiments at “XingguangⅡ” device. The three dimensional distribution of the X rays in targets is reconstructed and useful results are obtained. This shows that the CT technique can be applied to ICF experiments.     

惯性约束聚变激光烧蚀驱动内界面不稳定性数值模拟

利用水平集方法和三阶本质无振荡(ENO)方法研究了流体力学界面不稳定性和激光烧蚀驱动内界面不稳定性数值模拟,并用数值算例与LARED-S程序的运算结果进行了比较.数值结果表明此方法计算惯性约束聚变激光烧蚀驱动内界面不稳定性的有效性和精确性.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

我国激光惯性约束聚变实验与诊断技术早期研究历史

文章回顾了中国激光惯性约束聚变(ICF)领域实验与诊断技术的早期研究历史,介绍了ICF实验与诊断研究工作从学习调研、跟踪模仿到自主研制设备、综合实验等方面的艰苦历程。文章可以弥补中国ICF领域在实验与诊断方面科技史研究的空白。     

惯性约束聚变中氘氚燃料整体点火与燃烧条件研究

在局域热动平衡近似下, 利用能量平衡关系, 建立热核系统整体点火能量平衡方程, 对该方程求解得到热核反应系统点火阈值. 在计算和分析的基础上给出参数空间的点火关系, 以及该条件受装量、核子数比以及返照率等因素的影响情况. 点火时刻面密度越大, 则对应的点火温度越低, 并且电子-辐射温度脱离越小, 越接近三温平衡的点火状态; 反之则在点火时刻对应较大温度脱离. 更重要的是, 该分析方法还可以根据点火时刻系统的物理状态, 通过线性稳定性分析方法, 描述出系统的后续行为, 也就是说, 可以判断出这样的热核系统能否继续升温并实现深度燃烧.     

谐波分离和光束取样集成光学元件强激光近场调制及损伤特性研究

针对惯性约束聚变(ICF)终端光学系统对元件数量及厚度的限制，利用衍射光学元件(DOE)易于集成的优点，可将终端光学系统中实现不同功能的DOE元件集成于一体，以优化系统的结构和性能.为了对ICF终端光学系统集成光学元件在强激光条件下的正常运行提供分析的依据，采用傅里叶模式理论分别对色分离光栅(CSG)和色分离光栅-光束取样光栅(CSG-BSG)集成光学元件内部的近场调制特性进行了模拟计算.计算发现，将CSG与BSG集成以后其每一层的最大调制度比集成以前小10％—47％，但其激光诱导损伤风险和单个CSG一样 关键词： 色分离光栅-光束取样光栅集成光学元件 激光诱导损伤 惯性约束聚变 傅里叶模式法