激光驱动的ICF物理研究

惯性约束聚变是近年来发展迅速、具有科学意义和应用前景的研究领域．本文概述了激光驱动的惯性约束聚变的物理过程和值得研究的物理问题；讨论了激光聚变物理与核武器物理的联系，说明军用研究是激光聚变研究近、中期应用的重要方面；介绍了中国工程物理研究院的激光聚变研究工作．     

大国重器——激光惯性约束聚变

<正>激光惯性约束聚变被认为是人类工程物理科技领域的顶峰,这不仅是因为其实现技术难度极高,更因为其研究具有重大的科学意义。通过可控核聚变解决能源问题固然是激光聚变的研究目的之一,但其应用领域却显然不仅限于此。本文简要介绍了激光惯性约束聚变的基本概念和基本物理过程,并回顾了自激光诞生以来惯性约束聚变的发展历程。     

激光聚变研究中的一些物理问题

惯性约束聚变（ICF）是不同于磁约束聚变的另一种实现可控热核反应的方式，作为未来的能源有着光明的前景。目前研究最多的最激光引起的聚变。高功率激光可以在物质中产生千万大气压级的高压，能用于研究高压物理，激光产生的X江可用于研究辐射物理和作为高亮度的X光源。近年来，激光更用于在实验室中产生X光激光。激光与等离子体的相互作用是激光聚变研究的基础，数值模拟则是ICF研究中不可缺少的手段。     

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。     

激光聚变研究进展

本文综合评述近年来发展很快的激光惯性约束聚变研究取得的新进展,包括驱动器、激光聚变物理及实现激光聚变的不同途径。重点分析不同驱动内爆方式的特点、取得的成就和遇到的困难。最后是今后的展望。     

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。     

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。     

用于激光聚变的科学级光学CCD读出噪声标定

在惯性约束聚变和超强超短激光等离子体相互作用中,科学级光学CCD作为诊断设备的重要记录器件,发挥着至关重要的作用.通过研究给出了可见光CCD读出噪声的标定原理和标定方案,并首次在国内取得了惯性约束聚变(ICF)实验中常用的可见光CCD读出噪声,为物理实验数据的修正和不确定度分析提供了依据.     

惯性约束聚变黑腔内等离子体界面处的动理学效应及其影响

在惯性约束聚变物理研究中,等离子体界面处的动理学效应及其时空演化特性近年来受到重点关注,因为它会显著影响激光能量沉积、激光等离子体不稳定性、辐照对称性、黑腔和内爆性能等诸多物理。准确描绘等离子体特征界面附近的动理学效应是惯性约束聚变物理设计的基本需求,也是高能量密度物理中的具有挑战且未完全解决的问题。重点回顾近几年来本团队围绕等离子体动理学效应及其影响开展的一些研究工作:（1）聚变黑腔中金等离子体与靶丸冕区等离子体边缘处的电场结构及其加速的高能离子对内爆对称性的影响;（2）激光光路上高Z-低Z等离子体界面处的电场产生机制及其导致的反常离子扩散对激光等离子体不稳定性的影响;（3）等离子体中电磁场结构的质子照相反演。     

新型激光装置前端系统激光时间脉冲整形技术

对惯性约束聚变实验而言,激光时间脉冲整形具有非常重要的意义。随着惯性约束聚变技术的不断发展,对终端脉冲的时间填充因子的要求越来越高,直接导致了对前端系统时间脉冲整形技术的要求也越来越高。为了满足惯性约束聚变实验对前端时间脉冲整形技术的要求,自行设计了“刀口器”装置。利用这一装置,并结合改进的时空变换脉冲整形技术,在“神光—Ⅱ”的升级装置上,实现了大功率激光装置上的激光时间脉冲整形,在终端得到了脉宽1．16ns、上升沿337ps、下降沿360ps、时间填充因子为81．2％的方波激光脉冲,满足了物理实验对前端系统激光时间脉冲整形的要求。同时,提出了进一步改进的措施,以满足今后物理实验的更高要求。     

激光惯性约束聚变靶技术研究

本文简要叙述了近年来中物院物理与化学研究所开展激光惯性约束聚变靶技术研究的进展情况，围绕热核聚变靶丸的研制，介绍了空心玻璃微球、塑料微球的制备结果和充氘氚燃料气体的技术。     

第三届全国高能量密度物理会议暨第十五届中国空气动力学物理气体动力学学术交流会在银川召开

2011年7月23日至25日,由北京应用物理与计算数学研究所、中国空气动力学学会物理气体动力学专业委员会、计算物理重点实验室主办,宁夏大学、惯约实施管理中心、国家高技术惯性约束聚变技术专题协办的第三届全国高能量密度物理会议暨第十五届中国空气动力学物理气体动力学学术交流会在宁夏银川顺利召开。本次会议议题涵盖了惯性约束聚变物理、超强激光与物质相互作用及其应用、高能量密度物理现象与物质     

受激散射过程理论模型的发展与应用

在激光间接驱动的惯性约束聚变（ICF）中,高强度激光与低密度等离子体发生相互作用,会激发两种受激散射过程:受激布里渊散射和受激拉曼散射。它们会损失激光能量、破坏辐射场对称性、产生超热电子,从而危害聚变点火过程。因此,理解受激散射的物理过程并找到抑制其发展的有效方法,是ICF研究中重点关注的问题。介绍了中国激光聚变研究团队为研究受激散射过程而发展的多个理论模型,以及这些模型在实验数据分析中的具体应用。这些理论模型与实验研究一起,为提升受激散射过程的物理理解发挥了重要作用。     

超短超强激光等离子体物理专题编者按

强激光等离子体物理是随着激光技术的发展而快速兴起的一门交叉学科,主要研究强激光与物质相互作用形成的等离子体结构、演化及应用.其研究内容从早期纳秒激光与等离子体作用相关的惯性约束聚变物理,到近年来飞秒激光与等离子体作用的新型加速器和辐射源物理,再到当前和未来以数十至百拍瓦激光等离子体作用的量子电动力学(QED)等离子体物理,逐步得到拓展和深入.     

中国激光惯性约束奠基人——王淦昌

激光惯性约束是实现核聚变的方式之一，产生于20世纪60年代。目前世界许多国家在此项研究上投入大量人力、物力，以期在受控核聚变方面取得突破，从而解决困扰人类的能源问题。我国是最早开展此项研究的少数几个国家之一，90年代初就把该项研究列入国家“863”计划，至2000年我国的激光惯性约束研究已取得重要进展，建立了“神光”系列装置和“天光”装置，在激烈的国际竞争中占有一席之地。而这一切成就都离不开激光惯性约束的创始人——物理学家王淦昌。王淦昌是国际上最早独立提出激光聚变约束思想的物理学家之一，并在60年代中期领导开展了我国的激光聚变研究，对“神光”“天光”的建成做出了重要贡献。     

纳米金属功能材料研究进展

纳米金属材料是一类重要的激光惯性约束聚变和强辐射源靶材料。通过靶材料微观结构的调控，将其特征尺寸降低到纳米量级，已成为该研究领域的一种新型研究手段。针对目前ICF和强辐射源物理研究的目标和需求，本单位在纳米金属功能材料研究方向开展了一些研究工作，取得了初步的研究成果，主要有：     

激光惯性约束聚变综合诊断系统

 概述了为在强激光装置“神光 II”、“星光 II”上开展惯性约束聚变实验而建立的综合诊断系统的构成与指标。重点介绍了近期在X光、光学波段、聚变产物、诊断精密化等方面的进步，以及该诊断系统在黑腔靶物理、内爆动力学、不透明度研究中的应用。     

ICF低温冷冻靶备技术进展

综述了激光惯性约束聚变研究中的低温冷冻靶的各种制备方法，提出了在我国高功率激光装置上进行了冷冻靶实验的制靶技术的路线。     

神光Ⅲ原型装置实现8束基频光出光

由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承建的神光Ⅲ原型装置是我国用于激光惯性约束聚变研究的新一代高功率固体激光驱动器。经过近半年的努力，原型装置各系统的联机调试已经基本结束，目前顺利实现了8束基频光出光的阶段目标，靶场系统集成安装也取得重要进展，已经进入联合调试阶段。     

惯性约束聚变的进展

现阶段受控热核聚变研究的两个主要途径是磁约束聚变与惯性约束聚变.惯性约束聚变目前主要是采用激光驱动的方法,在1987-1988年间取得了突出的进展. 劳仑斯·里弗莫尔国家实验室(LLNL)用NOVA激光器进行的一系列实验中是采用0.35μm的激光,能量为20000J.实验结果,等离子体密度n与约束时间■的乘积n■～5×1014s·cm-3,密度被压缩到液态氖氖密度的100-150倍.这些爆聚实验与假定理想球对称时磁流体模拟的预言一致.这些结果支持了如下的观点:如果以数百万焦耳能量的激光驱动高性能的靶,激光聚变可达到高的能量增益(能量增益超过100). 罗彻斯…