利用四冲击波绝热型驱动实现高度压缩,间接驱动惯性约束核聚变内爆

发布时间: 2015-12-08 09:08:09   作者:本站编辑   来源: Physics of Plasma   浏览次数:

 

 

流体不稳定性长期以来是惯性约束核聚变(ICF)的一个重要考虑因素。对于NIF装置的间接驱动内爆过程而言,低温的氘氚燃料层被一个由黑体空腔中产生的X射线驱动的塑料外壳烧蚀加速从而引起内爆。然而,由于冲击波在穿过壳层的过程中的里希特迈耶-梅什科夫(ARM)不稳定性,且该不稳定性在内爆加速阶段被瑞利-泰勒(RT)不稳定性放大,外壳层将表现出更多的瑕疵。这种放大的不稳定性调制可以进入到内部低温的氘氚燃料层中并引发后续的RT不稳定性,并且会在内爆的减速阶段强烈的表现出来。不稳定性的增长将造成初始的壳层变形,并造成热斑的不对称和温度、压强以及中子产额的下降。

在使用三冲击波的高脚脉冲实验中,对外壳层使用更高的烧蚀程度α用以稳定外壳层的不稳定性增长,获得了了烧蚀前端和热斑不稳定性增长的显著降低。然而,这种不稳定性增长的降低是以降低燃料的压缩程度为代价。

1. (a)低脚情形的不稳定性增长 (b) 绝热型情形的不稳定性增长

针对直接驱动的内爆过程,为了获得更高的压缩度以及烧蚀前端的稳定,基于衰减冲击波和弛豫密度梯度技术的绝热型技术被提出并在OMEGA装置上证实。此外,特定的密度型也被用于直接驱动的NRL装置来稳定不稳定性增长。在衰减冲击波的概念中,激光预脉冲加热烧蚀装置外层产生一束强冲击波,其将烧蚀装置提高到更高的烧蚀程度。在这个初始的驱动和后续的加速过程中,更高的烧蚀程度α将导致更高的烧蚀速度并由此实现RT不稳定性的稳定。当关闭预脉冲后,冲击波不再被维持,故其在向壳层内传输的过程中衰减,减少的熵值传递给燃料,从而使维持燃料维持在高度压缩所要求的较低的烧蚀程度上。

四冲击波的绝热型设计与直接驱动相反,间接驱动绝热型利用衰减的第一束冲击波主要来优化ARM振动,而较小程度的来稳定RT不稳定性。 增强激光脉冲前端将增强冲击波穿过壳层时的烧蚀压力,增强振动频率从而减小ARM扰动的幅度。烧蚀装置的烧蚀最初与高脚的驱动方式相同,随着最初的冲击波衰减,烧蚀装饰的烧蚀过程变得与低脚驱动方式相似。对于间接驱动的NIF装置中的内爆,接近ARM增长峰值的模式在经历RT不稳定性的放大前将经历大约一倍的ARM振荡,净效果相当于较低的模式经历一个正增长而较低的模式经历一个负增长,而对应节点处的模式将经历零增长并随第一束冲击波的能量发生反相。利用这个反相,有可能通过将零增长节点放置在RT增长的峰值附近,从而减小ARMRT造成的总的不稳定性增长,如图1所示。

2(a)分别给出了低脚、高脚以四冲击波绝热型激光脉冲的形状。脉冲前端的能量以及平均的能量分别为15kJ38kJ23kJ以及1.4TW4TW1.4TW。脉冲前端的能量提高和持续时间增长都将初始的Tr从而增加第一束冲击波的能量。图2(b)所示为模拟的第一束冲击波通过烧蚀前端到燃料后的压力。

2. (a)激光脉冲形状 (b)第一束冲击波通过烧蚀前端到燃料后的压力

高脚驱动相比压力几乎不变的低脚驱动方式可以增加烧蚀装置以及燃料的烧蚀程度。绝热型驱动下进入烧蚀装置的第一束冲击波有与高脚驱动相似的初始强度。然而,由于低谷处能量相差约四倍,失去维持的冲击波在经过烧蚀装置的过程中减速从而造成在燃料上沉积的熵值减少。图3为实验平台的示意图。其中,靶为外径1120μm,壳厚206μm的掺硅的塑料壳体。其比与其等价的低温氘氚壳层厚14μm同时附有代替氘氚作为点火靶丸的碳氢烧蚀材料。

X射线放射摄影被用以测量间接驱动的惯性约束核聚变下的光学深度幅度增长,勒让德模式数分别取6090,聚焦比约为2。在三种脉冲形状下的结果如图4所示。模式数为60时,高脚以及绝热型的光学深度调制幅度相比低脚要小两倍左右,模式数为90时,高脚的光学深度调制幅度相比低脚小三倍左右,与此同时,与绝热型的光学深度调制反相。模式数60时色散曲线峰值附近的不稳定增长的降低与低脚的测量结果相比较可以确定总的不稳定性增长的降低程度,此外,模式数90时负增长峰值附近的反相也表明不稳定性增长的降低是由零交点翻转到低阶模式数从而优化ARM的增长相位引起。

3. 实验装置示意图

4. 三种脉冲形状下的X射线图像以及光学深度示意图

稳定的烧蚀前端能够维持烧蚀装置内层在较低的燃料烧蚀程度,从而实现更高的燃料压缩度,并有可能实现更高的温度以及氘氚层内爆的产额。作者认为利用高脚的脉冲前端强度,结合低脚的低谷强度可以取得与高脚相似的稳定效果,同时维持较高的压缩度。

田野摘译自:Stablization of high-compression, indrect-drive inertial confinement fusion implosion using a 4-shock adiabat-shaped drive, A. G. MacPhee et.al Physics of Plasma 22, 080702 (2015)

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