α粒子的慢化过程对D-T等离子体聚变燃烧的影响

在双温聚变燃烧点模型框架下，对比D-T等离子体聚变燃烧过程中α粒子能量逐步沉积与瞬时沉积两种描述的等离子体温度、离子数密度随时间的变化，在不同的密度条件下作了计算，考察了α粒子的慢化过程对D-T聚变点火的影响.发现考虑α粒子的慢化过程后，D-T等离子体峰值温度的出现将会推迟若干皮秒甚至几十皮秒，在较低的初始温度密度条件下，时间推迟得更多些.等离子体的峰值温度比α粒子能量瞬时沉积描述也会下降13keV左右. 关键词： α粒子 聚变燃烧 能量沉积 慢化过程     

反场构型等离子体靶压缩过程中强磁场对α粒子能量的约束效应

基于一维弹塑性磁流体力学程序（SSS-MHD）,研究了反场构型（FRC）等离子体靶在磁驱动固体套筒压缩过程中强磁场对α粒子能量约束效应,分析了α粒子的非局域和局域自加热对FRC等离子靶压缩峰值温度的影响,以及α粒子能量在整个压缩过程中端部损失效应。等离子体部分采用多温单流体的模型,能量的计算中引入了DT离子、电子及α粒子多成分温度的能量方程,同时考虑了等离子体压缩过程热平衡下的核反应和非局域自加热问题。研究结果表明,磁化靶聚变等离子体在压缩过程中具有较好的稳定性,能够保持刚性转子的靶结构,压缩过程形成的强磁场能够将α粒子的能量约束在O点附近的区域,有利于等离子体靶的点火及燃烧;α粒子对等离子体的自加热效应主要集中在等离子体电流中心区,而非等离子体中心轴处;α粒子对DT等离子体局域和非局域自加热过程存在差异,局域自加热过程的功率大于非局域自加热过程的功率,FRC等离子靶压缩峰值状态温度相差0.5倍。在反场构型的刮离层区,α粒子的能量端部损失在FRC等离子体靶的压缩和膨胀过程中逐渐增大。     

快重离子束实现点火的可行性

采用蒙特卡罗方法计算了低温下C,Si,Ar,Au和U等多种重粒子在等物质的量氘氚等离子体密度1000 g/cm3、热斑直径50 m中的电子能量损失,不同点火形式下入射能量和作用时间,以及燃料约束时间为20 ps条件下的束流强度。通过对数据的分析研究了这些重粒子辐照实现氘、氚燃料快点火的可能性。结果表明,重粒子束流加热等离子体实现快点火理论上可行,而且有一定的优势;较重的离子加热聚变等离子体的效果更好。重粒子束流加热等离子体到聚变温度需要的束流强度在MA左右;单个粒子的能量在GeV以上;相互作用时间为ps以下。     

快点火与超强激光等离子体相互作用问题

“快点火”是近年来提出的激光聚变点火的一种新方式。它的特点是靶丸的压缩和点火分开进行：第一步由通常的多束激光对称辐照靶丸获得高密度;而后由单束超强激光（Iλ≈10^18-20Wum^2/cm^2)加热芯部实现点火。第传统的“热斑点火）比较,快点火在压缩方面具有很多优越性：大量节省驱动能量,降低了对驱动均匀性的要求,并且可以达到更高的能量增益。但是超强激光点火却涉及一些非常复杂的问题：在预压缩形成的等郭体中打洞（hole boring);在高密度燃料的边沿产生足够数量的高能量电子（MeV）,这些电子的传输加热等。文章简短地讨论了这些问题,并研究了几十kJ激光能量实现点火的可能性。     

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。     

超强激光的等离子体烧孔效应

针对激光聚变快速点火方案中的等离子体烧孔效应，用活塞模型研究了超强激光压缩等离子体并直接驱动激波的过程，给出了描述该过程的各物理参量的理论定标律。     

聚变α粒子对第一壁辐照损伤的蒙特-卡罗研究(Ⅰ)——轰击第一壁的α粒子能谱

本文研究从托卡马克聚变堆等离子体边界损失的α粒子能谱。分析α粒子的损失机制。建立描述α粒子输运的慢化-扩散方程。同时考虑香蕉捕获粒子、飞行粒子和波纹约束粒子对扩散系数的贡献以及α粒子的直接损失机制。针对典型的聚变堆参数数值求解方程得到待求的α粒子能谱。讨论了解的物理意义。     

双锥对撞点火机制2020年冬季实验中的瑞利-泰勒不稳定性分析

直接驱动激光聚变通过整形后的纳秒脉冲激光辐照氘氚(DT)球壳靶,经球对称压缩加速后,在中心转滞获得高温等离子体热斑,实现聚变点火.在球壳靶受到压缩和加速过程中等离子体界面的流体力学不稳定性,特别是瑞利-泰勒不稳定性的增长有可能会对压缩壳层造成破坏,导致点火的失败.本文通过理论解析和数值模拟,对基于Zhang等提出的双锥对撞点火方案(2020 Philos.Trans.A Math.Phys.Eng.Sci.378 20200015)在2020年冬季实验条件下的流体力学不稳定性增长进行了分析.结果显示理论模型与一维数值模拟中对整体压缩和加速过程的描述基本一致,在当前的近等熵波形下金锥中的壳层靶实现了低熵压缩,同时瑞利-泰勒不稳定性增长导致的最危险时刻扰动振幅和壳层厚度比可以达到约0.25,壳层依然处于安全状态,但当初始壳层表面扰动均方根振幅大于22 nm时,则可能出现壳层的破裂.因此,未来实验中的靶设计与驱动激光脉冲波形设计中可以通过增加靶壳层厚度、提高预脉冲强度、减小靶表面的粗糙度和提高激光辐照的匀滑度等方式来抑制不稳定性增长.     

快点火锥壳靶压缩对称性及燃料分布测量实验研究北大核心CSCD

快点火激光惯性约束聚变将压缩与点火过程分开,与中心点火方式相比,大大放宽了对压缩对称性和能量的要求,是国际惯性约束聚变研究的热点方向。在神光Ⅱ装置上开展的快点火锥壳靶预压缩实验中,背光分幅图像显示导引锥及输运丝对靶丸预压缩过程无明显影响,实验结果与一维数值模拟结果吻合也证明了该结论;实验中通过调节导引锥尺寸和相对靶丸的位置,可保证最大压缩时刻导引锥保存完好,这对超热电子的输运以及能量沉积是至关重要的。     

快点火中质子的能量沉积和神光Ⅱ升级装置上的质子束的产生

基于神光Ⅱ升级装置激光条件,利用流体程序、粒子模拟程序和Fokker-Placnck程序,模拟研究质子快点火中所需质子束的品质以及产生所需质子束的激光条件.首先根据快点火靶的条件,利用Fokker-Planck方程模拟快点火所需的质子束的能量范围,模拟表明当背景等离子密度为300 g/cm³时,能量为7—12 MeV的质子束适合点火;当背景等离子体密度为400 g/cm³时,能量为8—18 MeV的质子束适合点火.再根据神光Ⅱ升级装置实验条件研究质子束所需的激光参数,通过利用粒子模拟程序,结合流体程序给出的预等离子体,分别模拟研究了加预等离子体和不加预等离子体两种情况下的质子加速,在有预等离子体时得到的质子束最大能量约为22 MeV,没有预等离子体时得到的质子束最大能量为17.5 MeV,具体分析了两种情况下质子加速的物理机制,其结果跟等离子体自由膨胀模型结果符合得很好.     

相对论强激光与近临界密度等离子体相互作用的质子成像

近临界密度是激光等离子体相互作用中能量吸收和高能电子产生的重要等离子体参数区间.利用激光加速产生的质子束作为电磁场探针,研究了超强激光与近临界密度等离子体相互作用产生的等离子体结构及其时间演化.实验发现,初始均匀分布的质子束穿过近临界密度等离子体后分裂为两个斑.两个质子束斑的间距随着作用时间先增大后减小.并且两个束斑呈不对称分布.分析认为,幅度约为10~9 V/m的不对称分布瞬变电场是产生质子束偏折和分裂的主要原因.粒子模拟的结果也验证了这一解释.该研究对激光尾场电子加速、离子加速、惯性约束聚变快点火方案研究等有一定的参考价值.     

超音速高密度喷流对撞过程中的高效能量转移

在双锥对撞点火激光核聚变方案中,两个锥口相距约100μm放置的金锥内氘氚球冠靶在高功率纳秒激光烧蚀驱动下,获得沿金锥的球对称压缩和加速,形成沿着金锥轴向的超音速高密度喷流,出射喷流在两个金锥的几何中心发生对撞减速并形成聚变密度等离子体.在对撞过程中,高速运动喷流的动能转化为内能,实现对等离子体的预加热,与此同时,皮秒拍瓦激光产生的高能快电子从垂直方向入射并加热高密度等离子体,使其快速升温达到聚变温度,实现聚变点火. 2020年在中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光联合实验室神光Ⅱ升级激光装置上,我们利用总能量为10 kJ的八路纳秒激光进行了两轮实验.实验利用包括X射线汤姆逊散射、硬X射线单色背光成像、X射线条纹和分幅成像等多种主动、被动诊断方法对超音速高密度喷流对撞过程进行了高时空分辨研究,实验测量发现,在单锥口形成的超音速等离子体喷流密度为5.5—8 g/cm~3;在对撞过程中形成了阻滞时间约200 ps的高密度等离子体,中心密度达到了(46±24) g/cm3.通过对等离子的温度、速度的分析发现,对撞过程中动能到内能的转换效率高达89.5%.     

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.     

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。     

激光聚变快点火机理研究

对超强超短激光等离子体相互作用和快点火机理及其物理可行性进行了理论和数值模拟研究.研制了二维和二维半粒子云模拟程序,数值模拟了超强超短激光脉冲在非均匀等离子体中的传播.提出快点火穿孔速度和深度以及用于快点火的超强超短激光器的初步指标 关键词： 超强超短激光等离子体相互作用 快点火机理 粒子云模拟     

托卡马克聚变堆堆芯参数时空分布的数值研究

本文描述包括聚变α粒子、高能束注入及回旋辐射的较完整的托卡马克聚变堆堆芯一维输运模型和程序。所得到的粒子、磁场及能量时空分布是合理的,与实验定标律外推及INTOR预计值一致。借助数值分析了α粒子能量利用及分配、束注入特性、等离子体约束、杂质和初边条件对结果的影响,可供设计准稳态热核堆芯时参考。     

直接驱动球内爆点火的数值模拟

 实现中心点火的基本条件是在内爆中心形成面密度0.3 g/cm²，温度10 keV的点火热斑。减速阶段流体不稳定性的增长，会破坏对称压缩，减小热斑体积，直接破坏点火热斑的形成，对点火构成威胁。在原有LARED-S程序的基础上，加入热核反应和α粒子加热过程程序模块，对直接驱动ICF球内爆过程进行数值模拟研究，1维模拟结果与NIF直接驱动点火靶的设计基本相符，显示α粒子加热对边缘点火起重要作用；2维模拟表明减速阶段流体不稳定性对点火有重要影响。     

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30g/cm3和50mg/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。     

其它——DⅢ-D装置高约束等离子体大幅度ELM抑制的模拟研究

高的边缘压强梯度的H模放电可提高将来聚变反应堆的经济可行性，然而高的边缘压强梯度容易产生ELM不稳定性，它通常能把大的粒子和热负荷排到偏滤器靶板，这些ELM模限制了芯部等离子体性能和降低了偏滤器靶板的寿命。为了维持稳态的高性能等离子体，横越等离子体边界的粒子和热输运能用于粒子和杂质分布控制，因此，任何消除或者缓解大而快的ELM脉冲技术必须用另一个慢的输运过程来代替瞬时的粒子和热输运，这种技术在ITER这样的燃烧等离子体装置中是高度优先的。