四冲击绝热型惯性约束聚变内爆实验进展

发布时间: 2016-02-20 15:29:12   作者:本站编辑   来源: Physics of Plasma   浏览次数:

 

  在间接驱动的惯性约束聚变中,激光辐照高Z黑体产生的X射线被用来均匀地压缩封装在低Z烧蚀层(炭氢)中的氘氚燃料层,达到高密度(固体密度的几个数量级以上)和温度。在国家点火装置(NIF)上,实现如此高的压缩度和合适的能量要求在内爆过程中激光驱动靶的设计能保持燃料在尽可能低的绝热线(燃料压强与费米简并压强比值)上。

  烧蚀层上孤立的隆起点被认为在勒让德模式数在中间值(l=100-150)的范围内时可以向内生长,使得烧蚀材料进入燃烧的热斑成为可能。为了缓解这种现象,用于驱动炭氢烧蚀层NIF点的激光脉冲设计包含一个低脚的脉冲前端。

  国家点火运动(NIC)的实验表明,测量的总面密度(≈1.3g/cm2),而测量的中子产额显著低于预期(3×-20倍)。对NIC数据的分析表明产额与烧蚀装置在热斑处融合后的质量的相关性,与高Z烧蚀装置进入到内核导致辐射冷却增强以及总产额降低的物理图像一致。为了验证观测到的热斑处烧蚀装置的融合部分是由烧蚀前端不稳定性导致的可能性,在激光脉冲设计增强的驱动得高脚HF)的新型脉冲被提出。利用该脉冲可以降低热斑处烧蚀装置的融合,并且提高了中子的产量,然而这些都是以燃料压缩度的减少作为代价。

  本文的目的是证实通过极小的改变NIC中所用的激光驱动的脉冲前端,就能够实现理想的X射线驱动。

  1. N120321中所用的激光脉冲

  用以量化燃料绝热线,烧蚀前端不稳定性增长率,壳层飞行,以及滞流线型的调谐的冲击波是利用由辐射流体动力学代码HYDRA执行的一体化的黑体模拟设计。以NIC中编号N120321发射所利用的靶和低脚激光脉冲为出发点。该次实验由于测得的较高总面密度,≈1.3g/cm2,被大量的计算研究。N120321采用的是标准的NIF靶:掺硅炭氢烧蚀装置,表面厚度195μm,其中包含一层69μm厚的固体冷却氘氚燃料。靶丸放置在填充氦气(ρ=0.96mg/cm3),直径5.75mm,长9.475mm镀金的铀圆柱黑体腔中心。N120321的激光脉冲功率曲线如图1所示。

  

  2. (a)N120321激光脉冲和改进的绝热型(AS)激光脉冲  (b)LF以及AS的2D一体化模拟计算得出的辐射驱动   (c)第一冲击波经过烧蚀装置时的压强变化

  产生高脉冲前端辐射驱动可以使氘氚燃料维持在较低的绝热线上。Clark等人指出这可以由两种方法实现:提高脉冲前端功率或保持功率不变而提高脉冲前端能量。然而提高脉冲前端功率可能引入热电子产生这样不必要的风险。另一方面,测量高脚激光脉冲前端的辐射对称性需要低功率的内束来解释发生在激光入射孔径窗以及黑体填充气体的初始烧穿时的束-束能量交换。

  选用第二种方案,即提高脉冲前端能量 同时保持N120321的初始激光脉冲功率不变。第二条设计标准为使燃料在内爆过程中保持在低的绝热线上,对脉冲前端能够传递的能量值设定一个上限。因此,设定脉冲前端的能量需要在降低烧蚀前端不稳定性与维持低绝热线内爆过程间权衡。此外,还应保持激光脉冲在较低的水平上(称为波谷)来保证黑体腔辐射温度近似恒定。

  因此,我们寻找一种具有高脉冲前端能量的激光脉冲,高的脉冲前端能量来源于在时间上(tp)拉伸低脚脉冲前端的功率并保持与其相近的波谷值。这种新的脉冲将在靶丸处产生一个高的初始辐射温度,从而使第一个冲击波在穿过烧蚀层时强烈的衰减。图2a)比较了原始NIC低脚脉冲与新型绝热型脉冲(此处记为“AS LF”)。“AS LF”脉冲前端在LF脉冲的基础上被拉伸了≈1ns,因而有一个恒定时长tp=1.1ns的激光驱动。由这两种脉冲所产生的辐射驱动的比较如图2b)所示。图2c)为计算得出的分别在烧蚀装置和氘氚低温层上的第一束冲击波压强。

  利用Clark等人描述的高分辨的计算机模拟计算烧蚀前端稳定性的改善,计算出的LS以及“AS LF”的增长因子如图3所示。

  3. (a)N120321激光脉冲和改进的绝热型(AS)激光脉冲  (b)LF以及AS的2D一体化模拟计算得出的辐射驱动  (c)第一冲击波经过烧蚀装置时的压强变化

  4. (a)靶丸被帐篷形支撑物固定在黑体腔中央  (b)LF驱动的N131010的2DConA靶飞行X射线照片  (c)AS驱动的N141014靶飞行X射线照片

  这个结果又进一步被利用钨靶来测量壳层飞行以及热斑形状的实验验证。这个靶平台是所熟知的“2DConA”,即两维收敛烧蚀层。这些实验揭示了在极化角≈45°以及135°处一个清晰的伤疤,如图4b)所示。这些清晰的不一致性被认为是由烧蚀层与支撑靶丸使其位于黑体腔中心的帐篷状支撑(如图4a)所示)的相互作用引起。其作用程度取决于帐篷的厚度,而伤疤的特征出现在帐篷厚度在≈30nm≈130nm的范围内。图4b)给出了N131010所利用的LF脉冲的内爆中观测到帐篷引起的伤疤。图4c)为N141014利用绝热型脉冲的实验结果,其中烧蚀前端的不稳定性被帐篷与烧蚀层的相互作用极大地改变,并且没有显著的伤疤出现。

  2DConA实验中的内爆的对成性(如图4所示)指出还需要对NIF激光系统内外的四组激光的波长间隔(Δλ)做出调整。在N141014中用的波长间隔,平均内组对外组激光Δλ@1ω=7.9Å,被增大1/2 Å。从一体化的黑体腔模拟中获得预期的内爆度量列在表I中。其预期的产额相比NIC运动的平均产额要高3-5倍。

  I. 三种脉冲形状下的X射线图像以及光学深度示意图

  5. AS驱动的N141123以及NIC中等价的五发实验获得的中子产额对比

  当预期的现象和测量数据吻合时,仍然需要解决一个问题:考虑到实验数据库的不确定因素,实验数据是否支持我们的假说,也即改善烧蚀前端不稳定性可以获得更好的内爆效果。为此,将N141123的结果和NIC数据库中等价的发射进行对比。图5表示5NIC实验的产额以及AS驱动的N141123作为推论燃料<ρR>以及推论CH(Si)烧蚀层混合质量的函数。从图5中可以看出,AS驱动的N141123相比预期等价的NIC实验的平均产额高出≈4倍。此外,从统计方法上可以得到本文提出的AS方法可以实现更好的内爆效果的结论。

  利用前文中提及的模拟方法推测更高速的内爆现象,结果由表II列出。

  II.采用更高激光功率及能量从而实现更高速的内爆过程的模拟结果

  总结本文工作,利用2-D一体化黑体腔模拟方法设计了一系列受控的内爆实验,模拟的可靠性被依次验证。另一方面,相比以往的实验结果,实验以及模拟的一致性都证实了现有方案显著的改善。在可预测性以及绝对中子产量上的改善来源于烧蚀前端不稳定性3倍的降低。此外,更高速的内爆的模拟可以进一步测试增加速度和与之相对的不稳定性增长带来的破坏之间的权衡。

  摘译自:Design of indirectly driven, high-compression Inertial Confinement Fusion implosions with improved hydrodynamic stability using a 4-shock adiabat-shaped drive, J. L. Milovich et.al Physics of Plasma 22, 122702 (2015)

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