激光驱动强流电子束产生和控制

在惯性约束聚变（ICF）电子束快点火物理方案中,需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束,并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一,为深入了解强流电子束产生物理过程,研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序,并开展了大规模数值模拟研究,探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究,介绍了导致束流品质差的两大物理原因：预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因,提出了四种提高强流电子束品质的方法：（1）双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应;（2）输运丝产生环向磁场准直强流电子束;（3）外加磁场导引强流电子束提高耦合效率;（4）抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。     

Contribution of different mechanisms of energy transfer in the development of the thermonuclear combustion wave upon fast ignition of ICF-targets

Temporal characteristics of the thermonuclear combustion wave, critical parameters of the igniter, and the total energy yield were computed using numerical modeling of the fast ignition of the spherically symmetric inertial confinement fusion (ICF) target of the reactor type taking into account different mechanisms of energy transfer from the central igniter to the main mass of fusionable fuel of the target. The program TERA was used for mathematical modeling. Along with complete calculations (including all known mechanisms of energy transfer), model computations with consecutive disengagement of energy transfer by thermonuclear charged particles (local energy deposition approximation) and by neutrons were also carried out. Our computations showed that the main effect consists in variation of the temporal characteristics of the combustion wave. Unlike the diagnostic-type targets, in the case of the reactor targets, energy transfer by neutrons exerts the main influence, and the second in importance is nonlocality of the energy deposition by charged thermonuclear particles.     

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.     

Fast ignition by detonation in a hydrodynamic flow

A general concept of fast ignition by a hydrodynamic pulse is developed. The main statements of the concept are formulated having in mind the need to ignite the pre-compressed thermonuclear fuel of the inertial confinement fusion (ICF) target. Initially, combustion must be initiated inside the hydrodynamic flow during its action on the target. The conditions for propagating a self-sustaining thermonuclear-detonation wave from an igniter on the thermonuclear fuel of the ICF-target must be provided. For this, the deuterium–tritium (DT) igniter placed in the forward part of the hydrodynamic flow should not only be heated up to thermonuclear temperature, but also compressed to a density close to the density of the ICF-target fuel. It is shown that the detonation of the multilayer conical target (containing DT-ice and a heavy pusher) enables fast ignition of the ICF target fuel of 200–500 g/cm³ density at an implosion velocity of 300–500 km/s.     

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.     

点火黑腔等离子体定标关系及350 eV靶黑腔设计

点火黑腔内环激光通道内靠近黑腔壁的区域是内环激光受激拉曼散射（SRS）背向散射产生与发展的主要区域。根据内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡,提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。该定标关系在一定程度上统筹考虑靶丸性能、激光器指标和激光等离子体相互作用（LPI）。在此基础上,根据靶丸抑制流体不稳定的需求,提出了一个350 eV点火黑腔设计,该设计可以较好地抑制内环LPI的发展,并对激光器设计提出了更高的要求。     

快点火背光照相数值模拟

在激光惯性约束聚变实验研究中,诊断燃料层密度通常利用纳秒激光束辐照金属靶片产生特征X射线作为背光照明光源,对内爆球壳进行瞬态辐射照相,进而推断球壳内爆燃料层的密度。利用蒙特卡罗程序,对快点火X射线背光照相进行了研究,模拟了针孔成像中不同的针孔大小、障板厚度、背光能量对成像质量的影响,对于快点火实验中微米尺寸塑料小球,进行了诊断方案优化。模拟结果表明,综合考虑光通量及成像空间分辨,针孔半径为10 m时成像效果最佳;此时,采用2.7 keV的Mo背光源可以获得最佳的密度分辨。     

点火黑腔等离子体定标关系及350 eV靶黑腔设计

点火黑腔内环激光通道内靠近黑腔壁的区域是内环激光受激拉曼散射(SRS)背向散射产生与发展的主要区域。根据内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡,提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。该定标关系在一定程度上统筹考虑靶丸性能、激光器指标和激光等离子体相互作用(LPI)。在此基础上,根据靶丸抑制流体不稳定的需求,提出了一个350eV点火黑腔设计,该设计可以较好地抑制内环LPI的发展,并对激光器设计提出了更高的要求。     

激光聚变冲击波点火的热斑形成机制

通过对冲击波点火内爆过程的数值模拟分析点火热斑压缩及形成机制。分析了传统中心点火的内爆过程,热斑主要经历冲击波压缩和惯性压缩过程,点火主要通过惯性压缩来实现。并仔细分析了冲击波点火的内爆压缩过程,从内爆角度来看冲击波点火并不是压缩和点火分开的两步过程,点火冲击波实际参与压缩过程,点火冲击波对热斑的直接影响很有限,热斑仍然主要通过壳层的惯性压缩实现点火。利用惯性压缩的定标关系及冲击波碰撞对壳层影响规律分析了热斑增压的物理机制,冲击波点火是通过点火冲击波与回冲击波的碰撞来提高壳层的密度,从而实现热斑压力的提升。     

辐射驱动中心点火靶丸的辐射源整形

利用数值模拟的方法研究了辐射驱动中心点火靶丸辐射脉冲的整形方法。根据文献对于燃料低熵压缩冲击波匹配要求的描述,设计了一个四台阶型的驱动脉冲。发现在冲击波汇聚后,燃料内的强稀疏使得烧蚀面产生额外的强冲击波,导致靶丸的熵增较大,不能满足要求。设计了三台阶加两折线形式的脉冲曲线,利用第4个冲击波的时间及强度变化抑制了稀疏波,避免额外的强冲击波产生,很好地抑制了熵增。还描述了为了避免烧蚀层烧穿而过早关闭辐射源,导致燃料压缩密度下降的问题。三台阶加两折线形式的脉冲通过控制峰值温度的时间,解决了此问题,使燃料达到很好的压缩效果。     

间接驱动快点火锥壳靶锥体材料燃料混合问题研究

与中心点火相比,快点火将压缩和点火过程分开,大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究,利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程,并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据,当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30 g/cm3和50 mg/cm2;为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题,提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法,实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性,该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。     

辐射驱动中心点火靶丸的辐射源整形

利用数值模拟的方法研究了辐射驱动中心点火靶丸辐射脉冲的整形方法。根据文献对于燃料低熵压缩冲击波匹配要求的描述,设计了一个四台阶型的驱动脉冲。发现在冲击波汇聚后,燃料内的强稀疏使得烧蚀面产生额外的强冲击波,导致靶丸的熵增较大,不能满足要求。设计了三台阶加两折线形式的脉冲曲线,利用第4个冲击波的时间及强度变化抑制了稀疏波,避免额外的强冲击波产生,很好地抑制了熵增。还描述了为了避免烧蚀层烧穿而过早关闭辐射源,导致燃料压缩密度下降的问题。三台阶加两折线形式的脉冲通过控制峰值温度的时间,解决了此问题,使燃料达到很好的压缩效果。     

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。     

聚变反应时间历程的双峰结构测量

利用新研制的聚变反应速率测量系统,在神光Ⅲ原型装置上测量了间接驱动时充DT气体的玻璃球壳内爆靶丸的聚变反应速率的时间历程,获得了DT中子产额约为1010时的聚变反应速率随时间的变化过程,发现了聚变中子发射在时间上的双峰结构。利用辐射流体程序对聚变中子在时间上的双峰结构进行了数值模拟,发现双峰结构分别由冲击压缩过程和惯性压缩过程产生,靶丸壳层厚度不同时产生的聚变中子发射双峰强度比变化可能是由靶丸的初始表面调制度不同所致。通过理论模拟与实验结果的对比,验证了中子聚变反应历程的双峰结构。     

ICF点火靶内环激光SRS抑制方法理论研究

激光等离子体相互作用（LPI）是制约在美国国家点火装置（NIF）上实现间接驱动惯性约束聚变的关键问题之一。LPI的激发不仅依赖于激光束功率密度与光束品质,还强烈依赖于光束所经过的等离子体状态。模拟显示,内环激光通道上靠近腔壁的He等离子体是受激拉曼散射（SRS）产生的主要区域。通过改变黑腔设计参数（包括构型、尺寸和填充物材料等）可以一定程度优化特定区域的等离子体状态,进而抑制LPI的产生。据此,提出了使用大黑腔高激光能量和改变填充气体组分两条控制SRS增长的技术路线。线性分析表明,两条技术路线效果明显,可分别将SRS峰值增益降低70%与63%。     

快点火中相对论电子束能量沉积的动理学研究

针对相对论快电子束在高密度压缩芯区等离子体中的能量沉积过程开展物理建模、程序研制和数值模拟研究。从等离子体粒子碰撞的基本物理出发,综合考虑了高能电子与背景等离子体之间的短程两体碰撞过程和长程集体效应,建立了相对论Fokker-Planck动理学模型,通过采用球谐展开的方法,推导得到了适于数值求解的方程形式并根据方程特点开展相应的数值算法研究及程序研制并完成了物理考核,对快点火能量沉积的典型物理算例进行了模拟研究,并针对即将在神光Ⅱ升级装置上开展的快点火物理实验进行了初步的物理分析。     

快点火靶的新型概念和结构分析

提出了一个快点火靶新型概念和结构分析,在锥的尖端制作一个热斑大小的平台,以避免燃料从锥方向逃逸;在平台中间制作一个微纳米点,以约束热电子发射。或者在平台上制作微纳米点阵列,以抬高阿尔文效应限制的条件。考虑超热电子发射的静电势、材料的逸出功,给出了热电子发射能量公式,根据公式提出了关于快点火靶在材料和结构方面的优化条件和研究内容。比如,提高超热电子发射的静电势,和发射材料的选择等,以优化超热电子的出射能量和方向。     

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。     

ICF点火靶定标关系与稳定性优化设计研究

激光等离子体相互作用（LPI）和瑞利-泰勒流体不稳定性（RTI）是影响间接驱动惯性约束聚变成功的两个主要不确定性因素。点火黑腔内环激光通道在靠近黑腔壁的区域是内环激光SRS背反产生与发展的主要区域。内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡条件。据此提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。结合描述靶丸内爆飞行阶段物理以及内爆性能的两个定标关系,提出了描述稳定性相对性能的指标。该指标可以指导点火靶设计,为LPI和RTI提供需要的裕量空间,是点火阈值因子（ITF）的补充。     

离子-电子非平衡机制降低中心热斑点火条件

提出通过离子-电子非平衡物理模型来降低惯性约束聚变中心热斑点火的聚变点火条件。在该物理模型中,强调离子比电子具备更高的温度,从而使得热斑的热核聚变反应增强,轫致辐射和电子热传导造成的能量漏失相对降低。通过对中心热斑的自加热分析和热斑燃烧动力学分析,发现相对于平衡聚变点火模型,非平衡模型可以显著扩大聚变点火区在热斑面密度和热斑温度空间的范围。同时采用LARED-S程序的数值模拟,研究了通过尖峰脉冲波形、二次冲击物理机制强化中心热斑聚变点火的非平衡性。