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.     

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。     

快点火锥壳靶内爆自发光图像数据处理

为研究快点火预压缩过程中导引锥对压缩靶丸芯部辐射对称性的影响,在神光Ⅲ原型上开展了快点火预压缩的自发光测量实验。采集了相同长度黑腔中不同类型靶丸的内爆自发光图像和不同长度黑腔中同类靶丸的内爆自发光图像,利用最小二乘椭圆拟合方法对芯部的自发光半峰值强度等高线进行椭圆拟合,通过椭圆特征来分析靶丸在最强发光时刻的压缩对称性。分析结果表明：导引锥的存在会使发光区域沿着赤道方向拉长,降低了压缩对称性;有锥靶丸在1600 m黑腔内的形变小于在1500 m和1700 m黑腔内的形变,压缩对称性可以通过调整黑腔长度来控制。     

快点火锥壳靶内爆自发光图像数据处理

为研究快点火预压缩过程中导引锥对压缩靶丸芯部辐射对称性的影响,在神光Ⅲ原型上开展了快点火预压缩的自发光测量实验。采集了相同长度黑腔中不同类型靶丸的内爆自发光图像和不同长度黑腔中同类靶丸的内爆自发光图像,利用最小二乘椭圆拟合方法对芯部的自发光半峰值强度等高线进行椭圆拟合,通过椭圆特征来分析靶丸在最强发光时刻的压缩对称性。分析结果表明:导引锥的存在会使发光区域沿着赤道方向拉长,降低了压缩对称性;有锥靶丸在1600μm黑腔内的形变小于在1500μm和1700μm黑腔内的形变,压缩对称性可以通过调整黑腔长度来控制。     

神光-Ⅲ主机黑腔腔形研究与设计

利用三维视角因子软件IRAD3D研究了神光-Ⅲ主机靶丸表面辐射驱动时变对称性和驱动强度随黑腔腔形和排布方式的变化。模拟结果表明:采用椭球形黑腔能显著减小黑腔壁面积从而减小腔壁能量消耗并提高靶丸消耗份额;不同腔形和排布方式下均可通过调节腔长使勒让德不对称性模P2时间积分量较小;采用双环辐照和椭球腔形都利于缩短腔长;四环排布利于调节P4分量,但环向不对称性M4较差;椭球腔双环排布能兼顾极向不对称性P2,P4和环向不对称性M4,且靶丸表面X光驱动强度相对柱腔双环提高25%~27%。     

神光-Ⅲ主机黑腔腔形研究与设计

利用三维视角因子软件IRAD3D研究了神光-Ⅲ主机靶丸表面辐射驱动时变对称性和驱动强度随黑腔腔形和排布方式的变化。模拟结果表明:采用椭球形黑腔能显著减小黑腔壁面积从而减小腔壁能量消耗并提高靶丸消耗份额;不同腔形和排布方式下均可通过调节腔长使勒让德不对称性模P2时间积分量较小;采用双环辐照和椭球腔形都利于缩短腔长;四环排布利于调节P4分量,但环向不对称性M4较差;椭球腔双环排布能兼顾极向不对称性P2,P4和环向不对称性M4,且靶丸表面X光驱动强度相对柱腔双环提高25%~27%。     

辐射驱动不对称性对靶球压缩的影响

定量评估了驱动不对称性对靶球压缩的影响。对于不随时间变化不对称性驱动内爆,2维数值模拟结果表明：收缩比越小,驱动不对称性对靶球压缩变形和中子产额的影响越小;如果靶球压缩变形度为2.0,则相应的中子产额较少30%。改变黑腔长度,可得到不同时空性质辐射流,当腔长为1 350 μm时,后来的反向不均匀性能消除前期不对称压缩的影响,最后压缩接近球形,内爆中子产额也最高。靶球压缩X光成像数值分析表明,用成像图的半高全宽（FWHM）值来分析燃料压缩变形特性是合理的。该研究结果已成功地用于神光Ⅱ间接驱动内爆物理实验的理论设计和测量数据分析。     

辐射驱动不对称性对靶球压缩的影响

定量评估了驱动不对称性对靶球压缩的影响。对于不随时间变化不对称性驱动内爆,2维数值模拟结果表明:收缩比越小,驱动不对称性对靶球压缩变形和中子产额的影响越小;如果靶球压缩变形度为2.0,则相应的中子产额较少30%。改变黑腔长度,可得到不同时空性质辐射流,当腔长为1 350μm时,后来的反向不均匀性能消除前期不对称压缩的影响,最后压缩接近球形,内爆中子产额也最高。靶球压缩X光成像数值分析表明,用成像图的半高全宽(FWHM)值来分析燃料压缩变形特性是合理的。该研究结果已成功地用于神光Ⅱ间接驱动内爆物理实验的理论设计和测量数据分析。     

嵌入硬泡沫层和靶丸的Z箍缩动态黑腔动力学行为及其辐射场模拟研究

利用自行开发的二维辐射磁流体力学程序,模拟研究在软泡沫柱外嵌套硬泡沫层、中心嵌套结构靶丸的动态黑腔整体动力学行为和热力学性能,以发现硬泡沫层对动态黑腔辐射场的影响和调制作用,以及腔靶耦合相互作用规律。对峰值50 MA、全上升时间300 ns的驱动电流,模拟结果的比较分析表明,嵌套硬泡沫层后靶丸感受到的辐射场温度开始升高时刻延后,辐射均匀更迅速,辐射温度第一峰下降,变化更顺滑,黑腔存在时间变长,达到10 ns以上,后期辐射温度大于350 eV,波形与美国靶丸点火成功实验中的黑腔辐射温度变化曲线比较接近;与没有靶丸的动态黑腔的相同区域辐射温度相比较,嵌入靶丸后,靶丸在烧蚀后期感受到的辐射驱动温度增加。故嵌套硬泡沫层和腔靶耦合都有益于聚变靶丸的烧蚀内爆。     

嵌入硬泡沫层和靶丸的Z箍缩动态黑腔动力学行为及其辐射场模拟研究

利用自行开发的二维辐射磁流体力学程序,模拟研究在软泡沫柱外嵌套硬泡沫层、中心嵌套结构靶丸的动态黑腔整体动力学行为和热力学性能,以发现硬泡沫层对动态黑腔辐射场的影响和调制作用,以及腔靶耦合相互作用规律。对峰值50 MA、全上升时间300 ns的驱动电流,模拟结果的比较分析表明,嵌套硬泡沫层后靶丸感受到的辐射场温度开始升高时刻延后,辐射均匀更迅速,辐射温度第一峰下降,变化更顺滑,黑腔存在时间变长,达到10 ns以上,后期辐射温度大于350 eV,波形与美国靶丸点火成功实验中的黑腔辐射温度变化曲线比较接近;与没有靶丸的动态黑腔的相同区域辐射温度相比较,嵌入靶丸后,靶丸在烧蚀后期感受到的辐射驱动温度增加。故嵌套硬泡沫层和腔靶耦合都有益于聚变靶丸的烧蚀内爆。     

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。     

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。     

黑腔中等离子体相互作用的流体力学现象观测

激光间接驱动惯性约束聚变实验中,黑腔内情况复杂,在激光烧蚀和辐射烧蚀等的驱动下,光斑区、冕区、纯辐射烧蚀区、射流区的多种等离子体以不同规律运动.发展了X光双能段窄能带的时间分辨成像方法,用以观测黑腔内多种等离子体的运动情况.在真空黑腔中观测到清晰的射流,分析了射流产生机制及其速度;在黑腔中充气,能有效消除射流和抑制冕区等离子体运动,但两种物质界面处可能会出现流体力学不稳定性等现象,分析了界面处的压力平衡关系和密度陡变情况.     

神光III主机上球腔辐射场实验的三维数值模拟与分析

2015年在神光Ⅲ激光装置上开展了两孔球腔物理实验.利用三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序模拟两孔球腔中的辐射输运问题,研究辐射场分布及其动态演化过程.数值模拟结果大多数与实验结果符合较好,但局部位置存在明显差异.分析了产生差异的可能原因,提出解决措施及未来发展方向.综合数值模拟结果及其与实验结果的对比可知,三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序具备较好的黑腔三维辐射输运数值模拟能力.     

Influence analysis of symmetry on capsule in six-cylinder-port hohlraum

We have investigated the flux symmetry on the capsule in a six-cylinder-port hohlraum for improving the design of the hohlraum. The influence factors of drive symmetry on the capsule in the hohlraum are studied, including laser power,laser beams arrangement, hohlraum geometric parameters, plasma condition, capsule convergence, etc. The x-ray radiation flux distribution on the capsule is obtained based on the three-dimensional view factor model. In the six-cylinder-port hohlraum, the main drive asymmetry is the C40 mode asymmetry. When the C40 mode asymmetry approaches zero, the drive symmetry on the capsule is optimal. Our results demonstrate that in order to have a high flux symmetry on the capsule in the laser main-pulse stage, more negative initial C40 modes are needed, which can be realized by adjusting the hohlraum geometry parameters. The hohlraum with column length L_H = 4.81 mm has an optimal symmetry in the laser main-pulse stage.     

激光间接驱动聚变中黑腔辐射温度的角分布

通过理论分析和LARED多群辐射输运模拟研究了激光间接驱动聚变中黑腔辐射温度的角分布特点。研究发现,黑腔辐射温度角分布主要决定于光斑区与非光斑区的对比度、视野中光斑区的面积比例,以及体发射的份额。激光二维光环排布下黑腔辐射温度角分布与二维LARED模拟结果非常一致。研究还发现,二维的LARED模拟能够有效地用于研究神光Ⅲ原型黑腔实验中三维光斑排布下的辐射温度角分布。通过缩小FXRD测量面积能够有效地提高黑腔辐射温度随角度的变化,从而降低辐射流测量误差对辐射温度角分布的影响。     

神光Ⅲ原型黑腔物理实验研究

总结了在神光Ⅲ原型激光装置上开展的一系列黑腔物理实验研究,从多个方面研究了黑腔内部等离子体状态和辐射场特性。用真空黑腔能量学研究获得了散射光、辐射温度和不同能段辐射流份额的定标规律,从能量学角度梳理和分析了整个激光黑腔相互作用过程。通过对黑腔中充入低密度低Z气体抑制了腔壁等离子体运动,明显减少了可能造成靶丸预热的金M带辐射流(1.6~4.4 keV)份额。针对黑腔内部不同区域等离子体,研究了光斑区等离子体的运动,分析了其与电子热传导限流因子的关系;研究了冕区等离子体的运动,分析了不同充气等离子体条件对其的影响;在同一发次实验中同时测量了光斑区与再发射区的辐射流比值。