国家点火装置惯性约束聚变内爆实验流体不稳定性研究

发布时间: 2020-01-20 10:57:00   作者:本站编辑   来源: Plasma Phys. Control. Fusion   浏览次数:

  在2009年NIF开始运行之前,研究人员即发现实现聚变点火的重要挑战之一即控制由不同密度材料在高速运动下聚集而带来的不稳定性。在多年的“密集”研究后,科研人员对这些不稳定性的起因和本质有了更深的理解,并且研发新的方法来处理这些不稳定性。

  惯性约束聚变即将球型靶内爆从而获得氘氚燃料的高度压缩,在热斑实现高温进而驱动点火,产生足够的热核能量增益。DT聚变核反应中释放的核能以14.1MeV能量的中子和3.5MeV的阿尔法粒子为主。如果聚变压缩的能量足够高,阿尔法粒子将其动能沉积在DT冰层,提高等离子体的温度并形成自加热的反馈。对点火而言,DT燃料面密度需要足够高,同时约束时间则由燃料和球壳的惯性决定。激光聚变两个方案分别是直接和间接驱动。直接驱动球型靶由激光驱动,而间接驱动激光则转化为X射线来驱动内爆,由一个被称为黒腔的高Z腔体产生。在多层DT内爆中,驱动靶丸由外部烧蚀层和内部DT冰层组成。

  目前表现最佳的内爆靶由碳氢或高密度碳构成,其产额接近3。当前最佳实验已实现了聚变能输出大于内爆的动能,接近了烧蚀等离子体研究结果。但要实现点火,产额则需要达到15-30

  实现点火需要极高的均匀性和对称性。动力学不稳定性和混合问题对ICF表现下降起了主要作用;任何驱动不对称性或是表面的缺陷都会被内爆过程中流体不稳定性放大,并导致靶丸畸变,热斑温度、压缩率、中子产额等下降。作为动力学不稳定的显著标志,DT热斑燃料混合程度主要由高压缩的多层DT内爆过程来反映。在ICF内爆的加速相过程中,燃料外层表面和烧蚀层与冰层间的缺陷都会由不稳定性导致增长,这包括瑞利泰勒不稳定性、RM不稳定性等。在内爆的减速相,DT和冰层间则变得不稳定。不稳定性增长的根源在于燃料表面的粗糙,导致了非均匀性和不对称性。不稳定性的增长会导致壳层破裂,烧蚀燃料和DT燃料的混合,并带来内爆过程中子产额的下降。

  

  1 左图为流体动力学增长测量实验示意图;右图为驱动舱安装在金锥靶上

  NIF间接驱动实验中装置共192路强激光作用在黒腔内表面,产生x射线并开始烧蚀中间充满DT的燃料舱。由此导致的高速的内爆压缩并加热了燃料达到热斑温度,高于太阳的内核温度,导致氢原子融化并以中子和阿尔法粒子形式释放能量。

  研究人员对此在NIF和罗彻斯特大学的OMEGA装置上开展了一系列实验。OMEGA冲击波传输实验有助于甄别和测量塑料、铍、高密度碳等材料中扰动。在NIF上流体增长率成像实验采用x射线成像法测量了预加载的二维和三维正弦扰动不稳定性的线性增长。

  近期新的实验平台开始测量烧蚀层和DT冰层间的不稳定性增长,这潜在性地变得不稳定是由于RT不稳定性导致烧蚀物和燃料间混合。在减速相时,自辐射和自背光可测量峰值压缩时的不对称性和扰动。研究结果表明流体不稳定性的增长和聚变燃料向热斑迅速的聚集是NIF无法实现点火的主要因素。

  

  2 (a)自辐射X射线测量图像;(b)实验中流星数量增长的观测

  近期发现的挑战之一是发现热斑处出现的亮斑点,被称为流星。这种流星将冷却内爆,可能由靶材料注入到热斑深处导致。由于燃料舱表面小尺度缺陷和微结构,这些进一步增加了扰动增长。研究人员通过创新技术,新颖和稳定的燃料舱设计来提高其稳定性。

  此外,研究人员也研发了其他方式来支撑燃料舱,负责人Smalyuk表示:我们要在设计实验上更加的机智,要更有进取心,使不稳定性被压制,降低初始扰动是一条出路

  摘译自:V A Smalyuk et al. Review of hydrodynamic instability experiments in inertially confined fusion implosions on National Ignition Facility. Plasma Phys. Control. Fusion 62 (2020) 014007

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