利用四冲击波绝热整形驱动源提高高面密度间接驱动内爆实验的性能

发布时间: 2015-12-28 10:27:03   作者:本站编辑   来源: Physical Review Letters   浏览次数:

 

  在国家点火装置(NIF)上进行的惯性约束聚变(ICF)试验中,DT燃料靶丸通过聚心内爆来达到高密度和高温度,从而激发alpha粒子自加热和聚变燃烧。间接驱动ICF使用激光辐照高Z的圆柱形黑腔,从而产生一种均匀的X射线驱动源。X射线驱动源之后烧蚀靶丸的外壳层向内压缩剩下的冷DT壳层。为了达到点火,DT热斑必须有足够高的能量密度而且能够约束足够长的时间以激起热斑的自加热,从而在致密的DT壳层中产生一个烧蚀波。这种要求可以等价的表述为对Pτ的要求,这里P是热斑的压力,而τ是对这一能量的束缚时间。其中P可以通过使热斑的内能与外壳层的动能相等2πPR3~ε1/2Mv2与内爆速度(v)建立联系,其中R是热斑的半径,ε为外壳层能量向热斑能量转化的转化率,M是壳层的质量。热斑的束缚时间通过τ~(M/4πPR)1/2与壳层的惯性建立联系,结合以上两式有Pτ~ε1/2vρR,这里ρR为面密度。这就意味着一个成功的点火试验必须同时达到外壳层动能向热斑能量的高效转化(即高v)与高的面密度(即高的ρR)。

  达到高的内爆速度v与高的面密度ρR 是具有挑战性的,这是由于内爆实验会受到瑞利泰勒不稳定性的影响,特别是为了得到高的v需要高的加速度,同时,为了达到陡峭的密度梯度以及高的压缩率必然要求高的ρR,这都会使不稳定性的增长更加迅速。

  为了说明烧蚀前端增长率的作用,Milovich等人设计了一种新的激光脉冲。如图1所示新的激光脉冲波形通过一个高能量的篱笆脉冲激发一个冲击波,但是同时后面紧跟一个标准的底脚中间脉冲,因此首先到达的冲击波在穿过烧蚀体的时候逐渐衰减,当到达冷的DT燃料时烧蚀速度弱化为与LF内爆类似的大小,因此可以保持燃料有低的绝热。篱笆脉冲激发了首先到达的冲击波,这一冲击波类似于HF中的情况,但相比之下具有更低的激光功率和更低的出现激光-等离子体不稳定性的概率。

  本文中主要研究激光脉冲的形状对黑腔驱动的影响。图1中列出了三种脉冲波形,这三种脉冲波形在设计上要在相似的激光能量下达到相似的峰值内爆速率,但是有不同的α和稳定性。四冲击波底脚脉冲设计上是为了使燃料达到低的α(~1.5),在NIC期间进行的第N120321发次试验中这一驱动源得到了已观测到的最高面密度ρR。另外,与N120321发次同时进行的有四发相关的发次,这些结果总结在列表1中。第N130812发次使用了三冲击波高脚脉冲波形,这一波形是为提高的α2.3-2.7)而设计的,从而提高内爆稳定性减少压缩率。N141123发次使用了本文介绍的四冲击波绝热整脉冲波形,设计这一波形的目的在于在增加稳定性的同时保持燃料的低绝热[α~1.6]。这一驱动源设计上类似同时进行的五个底脚驱动源(见表1),不同点只在于通过增加篱笆樁脉冲的能量来降低不稳定性的增长率。

  

  1.a)低绝热或者底脚激光脉冲的波形(蓝线),高绝热或者高脚(红色)脉冲的波形,以及绝热整形脉冲驱动源(紫色)。前~3ns中的高功率部分叫做篱笆樁,以及激光的中间部分既是中间低功率的一段。中间部分之后的部分会产生额外的冲击波,对于HF总共有三个冲击波,对于ASLF总共有四个。(bHYDRA代码模拟的烧蚀前端增长因子,蓝线LF,紫色AS,红线HF

  1. LFHF以及AS发次不同参数之间的对比

  

  ASa)、LFb)以及HFc)内爆下通过中子成像系统得到的主散射和下散射中子图像分别列在图2中。在13-17MeV能量范围(红色)是由从靶丸核心逃逸出来的DT中子形成的,而下散射(黑色)是能量相对低一点的中子,是由DT中子在靶丸中静止团状物中的散射造成的。NIS图像表明AS内爆的壳层形状和尺寸与LF的相当,而热斑大小大致在相同的尺寸,但是AS内爆的热斑更加的扁平。另外,高脚内爆N130812发次的壳层大小增加了~40%(与面密度ρR降低~30%相一致)。

  

  2.a-c)通过中子成像系统得到的中子图像(aAS脉冲N141123发次,(bLF脉冲N120321发次,以及(cHF脉冲N130812发次。

  在图3中列出了总的中子产额作为平均面密度ρR的函数,紫色方块为AS内爆,蓝色为LF内爆,红色为HF内爆。除表一中的五发实验之外还包括了所有在NIC期间进行的LF内爆(灰色方块)。AS发次达到了同LF相当的燃料面密度ρR。但是,在AS内爆试验N141123中测得的中子增益明显的比所有的LF发次都要高,并且比最相似的发次(蓝色方块)高3-10倍。图片中同样展示了HF内爆N130812发次的结果。尽管HF内爆的总增益更高,但是ASHF发次均处在~1.5×的增益放大线上。

 

  3. 中子总增益随燃料面密度ρR的变化,分别对应AS内爆、HF内爆以及LF内爆。虚线是从热斑alpha自加热计算得到的增益放大曲线。在相当的ρR下,ASLF平台明显达到了更高的增益。

  综上所述,在间接驱动内爆中,为减少烧蚀前端的增长率以及达到高的面密度ρR而设计了一个绝热整形驱动源,利用这一驱动源进行的内爆的实验结果与在NIC期间进行的低脚内爆相比效果得到了明显的提高。这一提高表明不稳定性的增长在内爆加速期内对内爆效果起着决定性的作用,在NIC期间不稳定性的增长是由CH燃料混入热斑而引起的热斑体积减小以及辐射损失增加造成的。最近的实验结果表明支撑架的扰动性,表面的粗糙度以及塑料内部的其他扰动源比以往在点火设计中预期要重要,因此使在NIC期间进行的内爆实验中烧蚀前端不稳定性的影响相对变得更重要。但是,这一结果同样表明这些扰动可以通过仅仅改变激光脉冲的波形被部分的控制,与此同时还可以达到压缩率(ρR>1g/cm2)。通过以上分析可以看出,在控制高压缩速率与高面密度ρR的协调与平衡方面已经有了重要的进展,而这些正是点火所需要的。

  田野摘译自:Improved Performance of High Areal Density Indirect Drive Implosions at the National Ignition Facility using a Four-Shock Adiabat Shaped Drive, D. T.Casey et.al., Physical Review Letters, 115, 105001 (2015)

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