对可放大点火直接驱动内爆中的氘氚和氘氘聚变产物首次测量

发布时间: 2017-04-20 10:46:00   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

在直接驱动惯性约束聚变(ICF)的点火设计中,冷冻的氘氚(DT)蒸汽层被包裹在一层薄炭氢或炭氘材质的烧蚀装置中(<10μm),并被多束相同的激光束对称地加热。在大多数的点火设计中,激光烧蚀通过烧蚀层的收缩将一个或多个冲击波作用到蒸汽区域。经历了冲击波的传输后将出现一个减速阶段,此时收缩壳层的动能将转换为热斑的内能。当温度以及密度足够高时,热核聚变反应可以在冲击波或者压缩两阶段中的任一阶段发生。为了达到点火内爆的条件,热斑的尺寸必须超过聚变粒子的平均自由程,而这个条件对最大化α粒子沉积到热斑中的能量也至关重要。

之前在OMEGA装置上进行的实验报道了反常的YDT/YDD值(差异达四倍)。诸多研究表明,这个现象有可能来源于氢的同位素之间的差异。然而对于此类爆推靶的内爆,例如采用薄层玻璃(~3μmSiO2)或薄炭氢层(<16μm)的设计,聚变绝大多数发生在高温(>10keV)以及密度相对较低(≤10mg/cm3)的冲击波阶段。相比于聚变等离子体区域,冲击波阶段条件下的离子拥有更长的平均自由程,同时这些条件也与典型的可放大点火直接驱动低温内爆的冲击波阶段条件较一致。然而,低温靶较爆推靶仍有两方面差异。首先,低温内爆中大多数的中子产生都发生在内爆中较晚的压缩阶段,当动能转换为热斑的内能之时。利用球对称流体动力学代码LILAC的模拟表明近99%的中子产生在压缩阶段。其次,压缩阶段的中子产生发生在更高密度(≥20g/cm3)以及更低温度(~3 keV)条件,这使得热离子的平均自由程也远小于热斑的尺寸。因此,离子的非局域传输并不会对压缩阶段的中子产量产生显著影响。不同燃料种类的分离进入到压缩阶段α粒子的产量相比完全是氘氚聚变反应的将减少。然而对本文关注的可放大点火低温内爆,测试结果表明首次表明了不同同位素燃料分离并不会持续到冲击波阶段之后,因此在直接驱动的氘氚低温内爆实验中,燃料的分离并不会影响到压缩阶段的中子产量之比。

直接驱动的ICF靶包含一个外径460μm的氢化烧蚀层,在约25kJ的靶上激光能量下进行可放大的点火内爆实验。内爆速度范围Vimp3.5×107cm/s4×107cm/s,绝热值α在2.45间。靶丸在300K温度下通过加压渗透进行填充,最后冷却至三相点温度(~19.8K)以下几mK形成一层厚度在4090μm的氘氚冰层。主要发生的核聚变反应:

                                   D + D 3He + n +3.27MeV                                 (1)

                                   D + T 4He + n +17.6MeV                                  (2)

中子产量是由放置在OMEGA装置靶室周围的时间飞行谱仪测得。聚变产量可以表示为:

          (3)

其中分别为反应物的原子占比,为燃料的质量密度,为麦克斯韦分布的氘氚以及氘氘聚变反应的反应率,Ti是离子的平均温度,为反应物的平均质量。

实验观测的低温氘氚反应产物总是低于球对称情形下的辐射流体动力学代码的计算值。这些代码包含了非局域热导,多组扩散辐射传输以及将引起总产量减少的多维效应的影响。然而这些机制只包含了流体动力学效应并且也无法表现出产量比的反常。近来一种向流体代码的延伸计算方法被提出,这种计算方法包含了冲击波阶段氢的同位素分离的等离子体加压扩散效应影响。利用这个模型可以分析ICF内爆中的两个阶段:冲击波阶段和之后的回弹阶段(反向冲击波)。研究表明冲击波阶段有近5%的氘能够离开燃料体积而交换成等摩尔的氘氚混合物。在之后的冲击波回弹阶段,正压扩散率降至零,因此燃料的交换也显著的减少。由于氘氘和氘氚的反应率已知,燃料的组成也可在内爆前测得,因此当测量了离子温度以及不考虑扩散效应时,中子的产量比(YDT/YDD)也将可以计算。

低温内爆与冲击波驱动内爆的更进一步区别在于低温内爆靶的烧使壳层的材料也是由氘氚燃料组成。当壳层在压缩阶段减速时,低温燃料烧蚀成为热斑。LILAC模拟表明,在低温氘氚层内爆的情形下,有约初始蒸汽五倍的质量通过烧蚀过程进入到了热斑中,并成为压缩过程中聚变中子产生的主要来源。因此,在低温燃料中减速的离子将在压缩阶段进入热核,从而补偿内爆早期可能出现的任何粒子损失。

1 低温内爆产量比YDT/YDD随最小氘氚平均离子温度的变化

通过以上分析,利用在靶室外13.4米处安放的高动态范围中子时间飞行谱仪测量不同反应的产量(YDTYDD)。针对每一发OMEGA装置上的低温内爆实验观测到的反应物比值关于最小离子温度的变化函数如图1所示。图1同时还显示了利用测量到的燃料比例和最小离子温度计算出的产量比,计算值与实验值能够较好的吻合。假设反应物的密度比({C}{C}{C}{C}{C})在ICF内爆的所有阶段都在时间和空间上均匀,计算的产量比遵循YDT/YDD~{C}{C}{C}{C}{C},这表明其他可能改变产量比或改变氘氚、氘氘反应体积的效应并不会对热斑停滞阶段的产量产生显著影响。

测量得到的氘氚、氘氘的产量比以及离子温度同时也用于推断每一发实验的燃料比例({C}{C}{C}{C}{C}{C}{C}{C}{C}{C})。图2所示为从实验结果推断得出的燃料比和测量值的比较。

2 测量的燃料成分比与反推值的比较

总体而言,OMEGA装置上进行的低温内爆氘氚、氘氘反应产量比可以通过反应前的燃料成分以及推测出的离子温度,在实验范围的不确定度内进行预测。这表明内爆过程冲击波阶段可能出现的多流体效应并不会进入到之后的压缩阶段。对此可能的解释是靶的组成,其壳层也是由氘氚燃料组成。在低温内爆的减速阶段,内层的氘氚燃料烧蚀进入热斑。模拟表明有近中子发射区域五倍的质量都来源于低温氘氚壳层的烧蚀。因此,在内爆早期由于长平均自由程可能遗失的高能离子将在中子产量的峰值时刻回到热斑中,因而不会影响聚变产量比。这个发现表明多流体效应在可放大点火的低温内爆中不会给产量比带来显著影响。

摘译自: C. J. Forrest et al. First Measurements of Deuterium-Tritium and Deuterium-Deuterium Fusion Reaction Yields in Ignition-Scalable Direct-Drive Implosions. Phys. Rev. Lett. 118 095002 (2017)

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