Author Affiliations
Abstract
1 Laboratory of Computational Physics, Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 10088, China
2 Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 10088, China
Extrapolation of implosion performance between different laser energy scales is investigated for indirect drive through a semi-hydro-equivalent design. Since radiation transport is non-hydro-equivalent, the peak radiation temperature of the hohlraum and the ablation velocity of the capsule ablator are not scale-invariant when the sizes of the hohlraum and the capsule are scale-varied. A semi-hydro-equivalent design method that keeps the implosion velocity Vi, adiabat αF, and (where PL is the laser power and Rhc is the hohlraum and capsule scale length) scale-invariant, is proposed to create hydrodynamically similar implosions. The semi-hydro-equivalent design and the scaled implosion performance are investigated for the 100 kJ Laser Facility (100 kJ-scale) and the National Ignition Facility (NIF-scale) with about 2 MJ laser energy. It is found that the one-dimensional implosion performance is approximately hydro-equivalent when Vi and αF are kept the same. Owing to the non-hydro-equivalent radiation transport, the yield-over-clean without α-particle heating (YOCnoα) is slightly lower at 100 kJ-scale than at NIF-scale for the same scaled radiation asymmetry or the same initial perturbation of the hydrodynamic instability. The overall scaled two-dimensional implosion performance is slightly lower at 100 kJ-scale. The general Lawson criterion factor scales as (where S is the scale-variation factor) for the semi-hydro-equivalent implosion design with a moderate YOCnoα. Our study indicates that χnoα ≈ 0.379 is the minimum requirement for the 100 kJ-scale implosion to demonstrate the ability to achieve marginal ignition at NIF-scale.
Matter and Radiation at Extremes
2024, 9(1): 015601
1 北京应用物理与计算数学研究所，北京 100094
2 北京大学 应用物理与技术研究中心 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室工学院，北京 100871
3 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
4 中国工程物理研究院 上海激光等离子体研究所，上海 201800
5 中国矿业大学（北京），北京 100083
6 中国海洋大学 数学科学学院，山东 青岛 266100
7 安徽大学 物理与材料科学学院，合肥 230039
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。
激光聚变 惯性约束聚变 流体力学不稳定性 高能量密度物理 非线性流动 辐射流体力学 内爆物理 laser fusion inertial confinement fusion hydrodynamic instability high-energy-density physics nonlinear flow radiation hydrodynamics implosion physics 强激光与粒子束
2021, 33(1): 012001
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
六通黑腔是我国独立自主设计的新型激光惯性约束聚变驱动腔型。在大型激光装置上采用全束组注入方式, 首次获得了新型六通黑腔10~20倍收缩比综合内爆完整配套实验数据, 实现最高YOC2D(实验产额/二维模拟产额)达80.4%的综合内爆性能。
激光间接驱动 六通黑腔 内爆 laser indirect-driven six-port-cylindrical hohlraum implosion 强激光与粒子束
2018, 30(11): 110101
1 中国工程物理研究院 研究生部, 北京 100088
2 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
激光聚变的点火对实验、器件、制靶及诊断等各方面的控制能力都有很高的要求。随着实验逐步趋近点火设计,实验的精密化要求也逐步提高。精密化实验要求靶设计不仅给出激光能量、靶尺寸、气压等参数,还需要给出这些关键参数的不确定性指标要求。因此,获得这些不确定性指标也成为靶设计的主要内容之一。针对如何在实验设计中更为方便有效地获得参数的不确定性指标问题,通过理论结合数值模拟研究给出了一种基于线性近似的方法。这一方法综合考虑各种关键参数变化对实验结果的影响,平衡器件、制靶等对各种参数的控制能力,来获得参数的不确定性指标。以一个气体靶设计为例,通过数值模拟来展示这种方法的使用。结果表明,这一方法可以在显著降低工作量的情况下有效地获得实验设计的参数不确定性指标。
激光聚变 精密化实验 靶设计 参数不确定性指标 laser fusion precision experiment target designing parameter uncertainty index 强激光与粒子束
2016, 28(5): 052001
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
在神光Ⅲ原型装置上利用八路6400 J/1 ns激光注入1100 μm×1850 μm的黑腔内产生210 eV的高温辐射场,均匀辐照填充氘氘燃料的靶丸实现内爆.实验中选择高气压薄壳靶丸实现纯冲击波聚心内爆.通过闪烁体探测器、中子条纹相机等多套诊断设备获取了中子产额、聚变反应时刻等关键内爆参数.结合一维数值模拟表明,实验测量的中子产额与干净一维数值模拟计算的中子产额之比达到90%;同时通过人为破坏内爆对称性等方式表明,该设计下内爆中子产生机制集中于冲击波聚心,其内爆性能受到高维因素影响极低,从而实现了准一维内爆.
惯性约束聚变 小收缩比 内爆对称性 流体力学不稳定性 inertial confinement fusion low compression ratio implosion symmetry RT instability 强激光与粒子束
2015, 27(8): 082007
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
3 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
4 中国工程物理研究院, 四川 绵阳 621900
在激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)领域中, 获得具有极高空间分辨率(优于5 μm)的X射线辐射图像, 是研究烧蚀不稳定性、内爆流线等关键物理过程的数据基础。基于掠入射反射式成像原理的Kirkpatrick-Baez(KB)显微成像系统作为一种具有高空间分辨率和集光效率的X射线显微诊断设备, 目前已成为国际ICF装置的X射线关键诊断设备。在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置条件上开展了KB诊断技术及设备的研究, 在KB系统的光学设计、光学元件和物镜与系统装调技术等方面取得了许多重要进展, 研制了大视场KB、多色KB等高分辨率X射线显微成像系统。这些系统已应用于我国的ICF内爆芯部发光和流线测量、流体不稳定增长测量等实验中, 为关键物理量的测量提供了高空间分辨率的清晰图像。
Kirkpatrick-Baez显微镜 高空间分辨 等离子体诊断 惯性约束聚变 Kirkpatrick-Baez microscope high spatial resolution plasma diagnosis inertial-confinement-fusion 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032013
1 中国工程物理研究院 研究生部, 北京 100088
2 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
3 上海激光等离子体研究所, 上海 201800
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。
激光惯性约束聚变 冲击波点火 内爆 热斑形成 inertial confinement fusion shock ignition implosion forming of hot spot 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032005
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
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。
惯性约束聚变 聚变反应速率 双峰结构 热核反应 inertial confinement fusion fusion reaction rate two-peak structure thermonuclear fusion
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
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。
惯性约束聚变 辐射驱动 中心点火 低熵压缩 脉冲整形 inertial confinement fusion radiation drive central ignition low-entropy compression pulse shaping
1 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
利用一维数值模拟分析解释了神光Ⅲ原型高中子产额内爆实验中核反应速率的双峰现象。双峰现象的出现是内爆中核反应区能量竞争的结果。在核反应期间反应区离子的增能机制主要是压缩做功，能量耗散机制主要是离子-电子的库仑碰撞。冲击波在DT燃料中的来回反射，使得核反应区的压缩做功出现强弱交替。压缩做功与库仑碰撞能耗的竞争导致反应区离子内能出现上下波动，使得核反应速率出现双峰现象。实验测量的核反应速率峰值时间与数值模拟结果相一致。
激光聚变 气体靶内爆 数值模拟 核反应速率 峰值时间 laser fusion implosion of gas-filled target numerical simulation fusion reaction rate bangtime
