直接驱动惯约聚变内爆中的系统性燃料腔不对称性

发布时间: 2017-04-20 10:54:49   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

                                                                                                   

在惯性约束核聚变(ICF)领域,例如国家点火装置(NIF)的MJ量级激光被用于研究产生可自发维持的氢等离子聚变。一个含有氢的小型球状靶被引发内爆,这要求驱动压强足够大能够满足自加热的条件。直接驱动方式是利用激光直接烧蚀靶丸,其实验建立在具有30kJ激光能量的OMEGA装置上。现阶段直接驱动方式实现点火的一大阻碍来源于亚规模的OMEGA实验在还未到达点火需要的压强一半时就已经饱和。这个现象可能是由长波长的不对称性造成,然而此解释是从空间整合的测量结果推论得出。这篇文章利用示踪X射线自发射实现对直接驱动ICF中的燃料腔的不对称性观察。借助该技术能够发现燃料腔的不对称性,这表明系统性的,也即发与发间可重复的,靶丸上的激光驱动特性是限制实验能够达到的压强的原因。

内爆的对称性关系到在有限激光能量下增大压强的困难挑战。自加热形成一个温度约5keV的中央热斑需要等离子体密度ρR达到约0.3g/cm2,其中ρ为热斑的质量密度,R为热斑的半径。若进一步提高密度,那么增加的压强P将按照E~P-2的规律降低总能量。点火所需要的压强远超过驱动烧蚀压强(约1000倍),而大部分点火压强都来源于高密度燃料内爆或者靶壳层进入低密度中央热斑的动能转化。内爆壳层减速的同时,热斑的温度、密度以及压强都将增大,而不对称性将由于不同的阶数,影响这个压强增大的过程。数值模型已经表明l~1的不对称阶数因其停滞阶段不完整以及对压强的分散特性能够迅速地降低热斑压强。在OMEGA内爆中,影响压强的低阶不对称性有可能来源于大的靶偏移校正过程,或者由X射线转换测量表明的内在的束间能量间差异。尽管许多已发表的对OMEGA内爆实验的研究都采用核方法或X射线诊断了壳层面密度以及燃料的不对称性,然而对于这些低阶不对称性的来源和影响仍然缺乏足够的关注。

本篇文章指出了观测到的低阶不对称性与其带来的影响间的直接关联。本文的测量结果借助了一个新型的成像技术,能够增强燃料腔周围的信号。为了实现这一功能,一个精致的钛-炭氢示踪层被选择性的放置在烧蚀装置的最内层。当靶丸减速的同时,其内核将钛掺杂物加热至数keV的温度范围,其将从氦与类氢离子中放射谱线。从这个自发射的谱分辨图像中,作者首次发现了靶丸安装对内爆效果带来的影响。更重要的是,一个两次系统性重复的不对称性很有可能为驱动不对称性能够显著破坏热斑压强提供强有力的证明。

{C}{C}{C}{C}{C}{C}

1 (a)OMEGA的靶摆放 (b)MMI中提取的观测位1的钛自发射

(c)从靶顶部观察的图像 (d)(b)(c)的径向差异

靶是由一个外径875μm的球状塑料壳层以及渗满了1520大气压的20μm厚壁组成。其中,最内层100nm的炭氢中掺了1%的钛原子。壁厚的最大起伏为0.10.2μm。靶的安装是随机的,这意味着其内在的不对称性没有任何特定的方向。靶内爆利用的是OMEGA装置的总能量23kJ1ns60路激光矩形脉冲。现有数据表明,到达靶上的激光存在σrms3%的差异,测量到在反应D+D3He+n中的中子产量Yn30%40%。对激光脉冲的选择将决定壳层的压缩比P/PF,其中PF为费米压强。这个值也被称为绝热比,其较低时能够提高一维的内爆表现,但同时也会对流体动力学不稳定性更加敏感。因此较高绝热比的矩形脉冲被选择用来降低其他物理效应的影响。为了能够选择性观察追迹发射谱,采用了一个名为多元单色成像仪(MMI)的装置,它的一个优势在于分散的图片信号可以选择性的相加并形成一幅在特定能量的窄带图像。

OMEGA内爆中,一个系统性不对称来源于靶丸底座的安装,它采用采用一根纤维与靶丸通过锥状胶质粘合在一起(图1(a))。前期对低绝热比的内爆模拟表明,胶质的存在将破坏回弹的冲击波,从而进一步在燃料与靶壳层交界处引起射流,而中子产量的破坏与具体的胶质参数有关。模拟结果表明,这种不对称性对中子产量的影响轻微,在10%20%间。而实验也证实对该不对称性的敏感度较弱,并且中子产量仍然在低于一维结果期望值70%时就已经达到饱和,这表明其他原因才是导致这种内爆结果的主要原因。

尽管如此,射流的出现仍然在钛的自发射成像中形成了一个特征像。因此对靶丸的安装做一个简单的关联研究,令靶的安装轴与观察轴相垂直(观测位1)。图1(b)所示为该观测位对准底部的MMI图像,图1(c)则是安装方向转180°后,即顶部的视图。从一维模拟得到的明亮区域受到安装方向的调制。图1(d)给出了图像在不同方位角的差异。尽管不同不对称性间存在相互竞争,信号最弱处出现在靶安装方向位于270°和90°时(0°定义为图片中的三点方向)。从这个观点出发,靶的安放尽管难以解释内爆产量减少,但是是1阶特征的主要产因。

2 背对靶安装位方向的图像

从观测位2进一步采集数据,此时成像仪方位与靶的安放恰好相反,因此靶摆放不会对追迹发射的对称性产生影响。图2(a)2(b)所示为对两发独立实验在爆炸时刻之前约100ps采集到的图像。在图2(a)2(b)中表现出的明显且可重复的1阶特征在此参数设定下较为典型,并且这个图样在内爆过程中一直持续到爆炸时刻,如图2(c)所示。对此三发之后的发射结果平均,其方位角信号差在±40%。追迹发射谱线的拟合被用于确定发射度平均的电子温度Te以及密度ne。图3(d)所示为去除了连续谱的5.4-6.2keVne=5.5[-1.5+2.5]e/cm3Te=1.35[-0.35+0.15]keV范围的实验谱(实线)以及最佳拟合结果(虚线)。

本文利用追迹自发射层为低阶驱动不稳定提供了强有力且新颖的证据。通过模拟发现了驱动不稳定是内爆表现的主要限制因素。

摘译自: Systematic Fuel Cavity Asymmetries in Directly Driven Inertial Confinement Fusion Implosions. Phys. Rev. Lett. 118 135001 (2017)

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