OMEGA装置上直接驱动的层状氘氚核燃料热斑压强超过500亿大气压

发布时间: 2016-10-20 14:45:05   作者:本站编辑   来源: Phys Rev Lett   浏览次数:

  

   

  直接驱动惯性约束核聚变(ICF)的同心球壳靶通常由中心区域的等摩尔数氘氚(DT)蒸汽以及包围在其外的冷冻氘氚燃料和一层薄塑料(CH)烧蚀层组成。最外的烧蚀层被重叠峰值强度小于1015W/cm2的多束相同的激光束辐照,产生的激光烧蚀过程使得靶加速并发生内爆。氘氚燃料减速的同时,初始的氘氚蒸汽和燃料质量从冷冻层的内表面发生热烧蚀,压缩并形成聚变反应发生所在的中央热斑。惯性约束核聚变依靠的是氘氚聚变中3.5MeVα粒子沉积到热斑上的能量引起热斑温度急剧上升,使热核烧蚀波穿过周围近简并,冷却,稠密的氘氚燃料,从而产生远超过加热以及压缩燃料的能量。点火被认为发生在热斑温度与面密度的乘积至少达到5keV×0.3g/cm2后。

  现阶段的192路,351nm1.8MJ的国家点火装置(NIF)是为利用激光驱动黑体腔产生X射线来加速靶丸的间接驱动点火实验所装配。NIF上记录的间接驱动ICF实验中的热核聚变能约有26kJ,其中α加热使聚变产额相比忽略α加热的内爆产额提高了~2.5倍。间接驱动的NIF内爆已经实现了点火条件所需要的60%的劳森参数,其中P是压强而τ是惯性约束的时间,此处未计及α加热的影响。为能在实验室条件下实现点火以及顾及直接驱动ICF近十年来取得的进展,研究人员寻求在NIF上进行直接驱动的ICF内爆。并利用将流体动力学规模扩大NIF能量后的点火靶对60路,30kJ351nmOMEGA装置上的球对称、直接驱动的氘氚层内爆过程中热斑形成进行研究。靶直径以及激光脉宽与Elaser1/3成正比,Elaser是激光能量。

  1 (a)OMEGA直接驱动的层状氘氚核示意图 (b)测量的单峰及三峰激光驱动

  本文证实OMEGA上直接驱动ICF中的冷却氘氚层内爆的热斑压强可以达到Phs=560±70亿大气压。该值接近于在NIF上直接驱动的ICF所需要的点火阈值Phs=1200-1500亿大气压的一半。这种扩大流体动力学规模后的OMEGA内爆可以达到相应能量提高、归一化的劳森判据的60%(不计α加热),这与间接驱动相似。与对称的一维模拟结果相比较,推导出的Phs值偏小约40%。三维模拟结果则表明由激光不均匀性以及靶的位置偏差造成的低模热斑的畸变会降低中子产额以及Phs。实现更高的Phs可以通过减小低模对称性实现,这对在OMEGA上实现点火的Phs1000亿大气压以及对NIF上实现点火,都具有重要意义。

  本研究所采用的靶及激光驱动如图1所示。靶含有一层8μm厚的CD烧蚀层,外直径430μm。典型的靶位置误差为5-30μm。冷却氘氚的厚度50±5μm。靶的大部分都被26kJ的入射激光驱动,激光脉冲整体进行了谱色散和极化的平整。此外,60路激光的每一路都采用一个相位片在靶上形成超高斯远场强度分布,激光能量集中在825±5μm的直径范围内。

  发射编号77066的热斑图如图2(a)所示,以及沿图中虚线测量和拟合的强度的曲线图如图2(b)所示。采用空间分辨率为6μm,时间分辨率为30psX射线成像以及40ps响应的脉冲中子探测仪的诊断装置,假设热斑等压的情况下,可以推断发次77066Phs=560±70亿大气压。

  2  (a)光子能量4-8keV范围测量的停滞阶段X射线热斑像 (b)(a)中虚线测量和拟合的强度曲线

  采用ASTER程序的流体动力学三维模拟对可能破坏聚变表现的原因进行分析。当激光辐照靶丸的不均匀性达到束与束间激光功率达到均方根15%的失衡,靶位置偏差20μm,以及激光束的瞄准偏差10μm时,热斑的低模畸变将在压缩程度达到最大前就使靶丸破裂。这会降低了靶丸的压缩程度,从而进一步减小中子的产率和降低Phs。对中子产率的三维扰动效应与一维的对比,一维情况可以看作是球对称的三维内爆。两者初始的中子产率斜率相似直到三维情形在球对称内爆峰值(一维的爆炸时刻)来临前与一维情形发生偏离。三维的扰动使中子产率的峰值提前了约20ps,并且其峰值要低于一维的情形。然而对烧蚀时间(半高全宽)而言,一维与三维的情形却相似。两者的中子产率相差20%Phs相差50%。这些表明低模的热斑畸变在停滞阶段使靶破裂从而限制了进一步压缩以及热斑密度的增长。

  田野摘译自: Demonstration of Fuel Hot-Spot Pressure in Excess of 50 Gbar for Direct-Drive, Layered Deuterium-Tritium Implosions on OMEGA, Phys Rev Lett, 117, 025001 (2016)

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