惯性约束聚变(ICF)等离子体的核物理诊断

发布时间: 2020-01-20 10:59:30   作者:本站编辑   来源: Plasma Physics and Controlled Fusion   浏览次数:

  ICF的历史可追溯至1957年由Edward Teller组织的一场会议,会议焦点是以和平目的使用氢弹。此次会议的一个结果是John Neckolls开始了他显著缩小第二级(氢弹聚变部分)同时仍然产生能量增益的工作。该早期工作提出了一个观点,即一个填充氘氚(DT)燃料的小型球形靶丸,置于小型圆柱黑体辐射腔内,可由黑体辐射腔内产生的X射线引发内爆。然而,彼时尚不清楚如何加热黑体辐射腔,产生X射线并驱动靶丸。随着1960年激光器的发明,激光作为ICF应用合适的驱动器已经变得很清楚了。因此,60年代至70年代早期,在美国(US),欧洲,日本和前苏联(USSR)进行了大量的理论和计算工作,这些工作为激光驱动惯性约束聚变奠定了基础,并同时包含了直接驱动模式(激光直接照射靶丸)和间接驱动模式(激光辐照黑体辐射腔内壁,产生X射线并驱动靶丸)。其他的驱动概念也进行了研究,如电场,重离子和磁场驱动。随着第一篇非密论文《激光压缩物质至超高密度》由Neckolls等发表在nature上,这一时期在1972年达到顶峰。该文献为直接驱动ICF方法奠定了基础,即100kJ-1MJ的激光器将用于内爆一个毫米量级的充满氘氚燃料的小靶丸,使其密度和温度提高到足以产生明显的热核聚变,点火并获取增益。

  1. 控制ICF内爆核物理阶段的物理学概述

  ICF内爆的概念包含一个由塑料(CH),高密度碳(HDC)或铍制成的球形靶丸,填充毫克量级的氘氚燃料,以到达蒸汽压的气态形式包裹在靶丸内侧的低温冷冻冰层中。在激光直接驱动ICF的情况下,来自驱动器的能量传输至靶丸外部(或烧蚀层),造成加热并径向向外膨胀。当烧蚀层的外部膨胀后,剩下的内部被迫向内运动以保持动量守恒。这一过程通常是准等熵的,在峰值压缩时,燃料是近乎等压的,并通常用两个区域表示:一个热的中央等离子体(称为热点),包含一小部分燃料,以及一个包围着热点的密度更高(温度更低)的燃料外壳。燃料外壳有几个功能:首先,它像活塞那样加压缩并加热热点;其次,它提供了惯性约束;第三,它捕获dt-alpha粒子进行自加热。在峰值压缩时,聚变过程开始于汇聚在内爆中心的几个精心控制的冲击波,其显著提升了离子温度和热点密度。如果温度和密度足够高,就会发生热点聚变。此外,如果周围燃料外壳的ρR足以阻挡大部分的dt-alpha粒子,且燃料在足够长的时间内不分散,则热核燃烧波将沿主要的燃料外壳传播。耦合到热点的能量很小(约几个kJ),但如果热点点火后主燃料燃烧,则能量输出会得到显著放大。

  2. ICF内爆的核聚变产物

  在使用氘氚燃料的ICF内爆过程中,会发生一系列特定的反应。在另一种使用纯氘或纯氚燃料的内爆中,则会发生另一系列的反应。在本篇综述中,我们会讨论在这些燃料中发生的初级,次级和三级反应,这些常被用来对ICF内爆进行诊断。在初级过程中,一些反应和反应产物可用于内爆诊断。

  在这里,零温等离子体聚变产物的动能显示在括号中。同时也表明了不同反应分支的强度。在这些反应中,从能量增益的角度看,d+tdt)反应是最可行的,因为在ICF内爆所能轻易达到的温度下,其具有最大的横截面(比其他反应的横截面高出约两个数量级)。在dt情况下,80%的动能由中子携带,剩下的动能由alpha粒子携带。

  2.1 次级

  ICF内爆中,大部分的初级反应产物与燃料和烧蚀层(或衬层)中的离子相互作用(或反应)。在使用氘氚燃料的情况下,dt中子与燃料和烧蚀层(或衬层)中的离子发生相互作用(或反应),反应产物的能量范围在括号中给出。在这里,n代表向下散射的中子。向上散射的离子通常被称为“犯规击球”离子。如(n2n)和(np)反应之类的额外过程会在燃料和烧蚀层中发生,但这些过程通常不用于诊断目的。在能量大于10Mev但小于初级中子峰值的范围中,中子谱由弹性散射过程决定。在更低的能量下,来自分裂反应和多重散射的中子也起到了作用。如果反应经过一个激发态的靶核,则会产生伽马射线,中子在碳12的第一激发态上进行非弹性散射。在碳12的第二和第三激发态上进行的中子非弹性散射分别产生的中子能量范围在3.7-6.2Mev2.1-4.1Mev

  2.2 三级

  一小部分向上散射的氘(d’)或氚(t’)在反应(3.13)和(3.14)中产生,并在经过燃料时与热离子发生反应。

  1所示是由流体力学代码LESNEX对在NIF上进行的三次氘氚内爆进行模拟得到的ICF中子谱。如图中所示,点火成功的情况下,初级中子谱线的宽度和强度比内爆失败情况下的明显要大得多,表明在点火成功时,TiYn要高得多。在比较失败情况下的ρR值时,也很清楚地看到失败案例1比失败案例2有更高的ρR值。

  

  1. NIF上进行的三次dt内爆经流体力学代码LASNEX模拟后的ICF中子谱。

  比起ICF实验项目开始时,聚变产额已经增加了约10各数量级,核聚变产物的测量质量也得到了显著提升,促进了对控制ICF内爆核物理阶段的物理学认识水平的提升。如本节所述,ICF领域已进入新的时代,聚变产额已足够高,可提供高保真的,含有空间,时间,光谱信息的核物理信息,这些信息对理解ICF内爆性能是必不可少的。在高密度ICF内爆情况中,只有中性反应产物如中子(和低得多的伽马射线)较易逃逸。对初级向下散射和次级中子的定向辐射的测量可能是观测ICF内爆中热点和环绕高密度壳状态最重要的探针,因为这些中子携带了关于绝对核当量,离子温度,核燃烧历史,燃料和烧蚀层ρR,以及内爆形态的信息。此外,在低到中ρR值的内爆中发射出的初级和次级带电粒子带有相似的信息,以及关于磁场和电磁的信息。

  3. 中子诊断

  为了探测中子所携带的丰富信息,世界范围内不同的ICF装置广泛部署并使用中子诊断设备。考虑到自70年代ICF实验项目开始以来,聚变产额已经上升了几个数量级,中子测量的质量也得到了显著提高,促进了对控制ICF内爆核物理阶段的物理学认识水平的提升。在诸如NIF的最大的装置中,对中子测量而言,聚变产额已经足够高到给出空间,时间和光谱信息,这些信息对理解ICF内爆性能是必不可少的。与此同时,对这些测量的要求也变得越发严格。聚变产额需要在跨多个数量级的范围内进行测量,聚变能量范围可达2×101650kJ;离子温度需要以高达10keV的精度进行测量;核燃烧截面与燃烧历史测量的空间和时间分辨率需要分别达到10μm10ps的量级。

  4. 伽马射线诊断

  与用于ICF装置中的许多不同类型的中子诊断系统不同的是,用于诊断内爆的伽马射线的技术数量是相当有限的。其中一个原因是每个产出中子的伽马射线产额是非常低的。限制了可用在ICF应用上的诊断种类。然而,使用伽马射线诊断ICF内爆的优势在于,其在诊断时没有飞行时间展宽,从而使基于伽马射线的系统可以布置在离内爆相对远距离且保护很好的位置上。这使得伽马射线诊断法成为测量大X射线和中子背景环境下核燃烧历史的理想方法。如下节所述,伽马射线诊断也是对5.3节讨论的NTDPTDPXTD的极好补充。

  5. 带电粒子诊断

  与中子不同的是,带电粒子与燃料,烧蚀层和场发生电磁相互作用,在本质上比中子携带更多有关ICF内爆的信息。如公式3.1-3.23所示,由质子,氘,氚和阿尔法粒子产生了大量不同类型的离散线和连续线,其中离散线通常由聚变反应产生,而连续线则由弹性散射,非弹性散射,以及动态核反应导致。如第四章所讨论的,及在Seguin等人的论文中所述,这些带电粒子的产额和能谱与ICF内爆的特性直接相关,且特别携带有关聚变产额,Ti,会聚度,ρRTe,核燃烧历史以及混合物(在某些特定情况下)的信息。本章节将对用于日常诊断ICF内爆的带电粒子诊断方法进行讨论。

  6. 放射化学诊断系统

  两种类型的放射化学诊断系统正日常用于支持在NIF上进行的ICF项目。它们是气体样品放射化学分析系统(RAGS),以及固体放射化学采集器(SRC),两者都用来对从内爆中发射出的中子和带电粒子间的核反应,以及一种植入靶丸或黑体辐射腔的特定核子进行测量。在进行一发内爆后,其产生的放射性气体或固体碎片会从NIF的靶室中收集起来,通过辐射检测或质谱仪进行分析,以确定内爆或黑体辐射腔内产生的反应物数量(质谱仪用来分析非放射性同位素)。这两种技术的关键是对植入离子相对中子或带电粒子源及其通量分布的空间分布有清楚的理解。这一原因是反应物的数量很大程度上取决于这些分布,以及光谱和反应截面。

  6.1 RAGS系统

  RAGS的硬件包括一个去除水蒸气,微粒和活性气体的预过滤器,以及一套低温惰性气体采集系统(见图2)。RAGS的设计目标是采集并分析由内爆产生的活性气体。在一发内爆过后,靶室内的活性气体由一组增压泵抽出,并直接通往RAGS的第一级,在此将水蒸气,不需要的气体种类及活性气体从中过滤掉。这一过程用来产生进一步提纯所需的惰性气体。RAGS通常用来采集氙或氙和氪的混合物。这一选择是通过调节低温阱中的温度实现的。放射性同位素首先会使用高纯度锗伽马光谱仪进行分析,可测量的同位素半衰期最短可仅为8秒。这些气体随后转移到可拆卸样品瓶中,在那里被冻结并由伽马射线或惰性气体质谱仪进行分析。为了确定内爆产生的气体中放射性核的总数,必须确定RAGS从靶室采集反应物的效率。这由三个步骤完成。第一步,一种较少但已知量的稳定或放射性示踪气体在发次后注入NIF靶室。第二步,气体产物被泵出靶室并进入RAGS系统。从收集的气体中,通过比较注入的示踪原子的数量和内爆产生的放射性同位素的数量来确定效率。气体采集和分析的效率范围在80%-100%

  

  2 NIFRAGS硬件。

  6.2 固体放射化学采集器

  SRC诊断系统主要用于采集内爆产生的固体碎片。已开始实行两种SRC设计。第一种设计包括一个2英寸直径的圆盘,由钽,钒或碳制成。该圆盘安装在与7.2节讨论的WRF光谱仪相同的支架上,最多四个圆盘能安装在一个距离内爆50厘米的DIM上(见图3a))。第二种设计包括一个大面积探测器,称为实验用放射化学大面积探测器(VADER),且该设计的立体角比标准2英寸圆盘设计要大六倍。在一发内爆后,SRC圆盘或VADER被移出,进行伽马射线光谱仪分析。取决于不同的应用,SRC样品可先进行化学处理,将感兴趣的材料从背景干扰产物中分离出来。

  

  3 SRC系统照片。(a)带有2英寸圆盘的SRC,该圆盘由钽,钒或碳制成。一个DIM上最多能部署四个SRC系统。(b)用于固体放射化学采集的实验用放射化学大面积探测器(VADER)系统。

  7. 下一代核诊断

  ICF实验项目自70年代启动以来,已经取得了实质性进展,部分是由于新型核诊断系统的创新和开发所推进的,这些诊断系统提供了前所未有的崭新测量。更高的聚变产额也使我们能进行更高质量的测量,获得改良的有关空间,时间和光谱的信息。在单次内爆实验中采集更多数据的能力也促进了对控制ICF内爆核物理阶段的物理学认识水平的提升。随着世界范围内高聚变产额装置,如NIFLMJUFL-2M,以及SG-IV装置的部署,下一代核物理诊断将在未来数十年中扮演更加重要的角色。

  7.1 中子诊断

  7.1.1 实时中子活化诊断

  NIF上围绕在内爆周围的锆NAD用于测量由高ρR内爆发射的非散射中子的定向产额。由这一类数据,可重建非对称性模式最大L=2时的积分通量(或ρR)分布图。然而,NAD的数量不足以表征L2时的非对称模式。为了解决这个问题,48个实时核活化诊断系统(RT-NADs)目前正在NIF靶室的多个位置进行部署。该系统的一大关键特性是其运行不依赖手动检索及RT-NAD活化的离线分析。

  7.1.2 基于Cherenkov技术的nTOF光谱仪

  nTOF目前已常规用于测量dt中子谱的第0时刻(产额),第一时刻(热点速率),以及第二时刻(光谱展宽)。这是使用将闪烁体与PMT耦合,沿不同方向记录中子的到达时间而实现的。目前,很明显的,需要比目前标准nTOF提供的不同光谱时刻测量更精确的测量。由于NIF内爆典型的热点流速率为50km/sdt中子谱第一时刻的测量必须达到远高于0.1%的精度。因为nTOF光谱仪放置在距离内爆约20米处,这意味时间精度要远高于30ps。为了做的这点,必须绝对了解nTOF信号轨迹相对中子产生时刻的计时。IRF也需要是窄而准确已知的。

  7.1.3 三维中子成像

  以高空间分辨率诊断核燃烧及环绕高密度燃料的三维形态对构建热点及环绕高密度燃料外壳的适当图像是必不可少的。为了这个目的,NIF上正在部署一套3D中子成像系统,以对初级中子和向下散射中子均进行成像。该系统将沿着三个接近正交的方向观测内爆,得以简化非对称内爆的重构。与现有的系统相似,这些中子成像系统包含一个小孔及软边光阑阵列,一个基于闪烁体的探测器,带有门控摄像机以采集两个时刻的图像,分别是14MeV中子和向下散射中子的图像。

  7.1.4 时间分辨中子光谱法

  目前的中子谱仪常规应用于测量时间积分的中子谱,从中可确定ρRYn,以及很明显Ti的燃烧平均值。尽管这些数据对我们理解控制ICF内爆核物理阶段的物理学是必不可少的,目前的光谱仪无法提供关于燃料组件,热点形成,alpha加热,以及核燃烧的任何演变信息。这一信息将通过用于中子谱时间分辨测量的下一代MRS获得。该系统计划以高精度(<5%),高能量分辨率(约300keV),以及首次,高时间分辨率(约30-40ps)测量12-16MeV范围内的光谱。该系统称为MRSt,以现有的MRS原理和PDDT技术为基础。目前点设计包括:一个40μm厚,400μm直径的CD箔,放置在黑体辐射腔外侧,用以产生来自入射中子的反冲氘核;两个偶极子和三个四极子,放置在NIF靶室外,用于能量分析,以及将前向散射反冲氘核聚焦在光谱仪的短焦面上;以及一个放置在焦平面上的带CsI光电阴极的PDDT。在CsI光电阴极中,反冲氘核产生次级电子,并随后被时空变化的电场加速,将信号延伸约1m。该信号随后被MCPs放大,并被一组阳极阵列探测到。通过10-20次的脉冲放大,可使用标准采集系统对快速时间特性(10ps量级)进行记录和分析。探测系统周围将做好屏蔽,以抑制中子和伽马射线的本底噪声。

  7.2 伽马射线诊断

  7.2.1 三维伽马射线成像

  用于NIF的三维中子成像系统目前也考虑开发其4.44MeV伽马射线成像能力。使用附加的时间快门,可以实现伽马射线成像。这一数据将提供关于CH(或HDC)烧蚀层及烧蚀混合物进入dt燃料位置的三维信息。

  7.2.2 伽马射线辐射历史诊断

  目前GCD系统已应用于OmegaNIF,使用dt伽马射线(公式3.2)测量核燃烧历史,或使用来自12Cn)反应(公式3.17)的4.44MeV伽马射线测量烧蚀层ρR演化。在诊断系统的后端有个标准PMT,时间分辨率被限制在>100ps,这促使系统结合PDDT技术以进行升级。该项目的第一步为将GCD安装到距离内爆3.9米的注入井中。项目第二步包括PDDT技术的整合,将时间分辨率提高到约10ps量级,以及对GCD-PDDT性能的测试。

  7.2.3 伽马射线光谱

  高精度伽马射线光谱法是尚未很好利用的用于ICF诊断应用的核技术。其原因是相关核反应产生的伽马射线产量非常低,比主反应分支低了数个数量级,这给效率和分辨率提出了严格的要求。

  7.3 带电粒子诊断

  带电粒子诊断已广泛应用于诊断ρR值最大达200mg cm-2ICF内爆。尽管这一领域处于ICF应用诊断开发的前沿,但仍有一些令人兴奋的新思想为ICF内爆打开了新的窗口。

  7.3.1 多个单能级带电粒子的射线照相术

  基于D3He气体填充背光源产生14.7MeV3.0MeV质子的单能级带电粒子射线照相术,已成功应用在各种装置上。然而,这一背光源有一些限制,特别是当应用在具有强场与大ρR值的环境时,因为3.0MeV质子会有大的偏转和散射。因此,在OmegaNIF上正在开发一种能够克服这些挑战的新型背光源平台。该平台基于一个三粒子单能级背光源,可在来自DT3He气体填充靶丸内爆的两种14.7MeV3.0MeV质子外再给出一个9.5MeV的氘核。这一额外的9.5MeV氘核对背光实验很重要,使我们可获得关于电磁场和等离子体物质的可分辨的,高质量射线成像照片。一般来说,射线照相术中需要三种不同的单能级粒子,来区分电场,磁场和等离子体物质间的三种独特效应(本质上是含三个未知数的三个方程)。

  8. 结论

  70年代开始,每十年都有新的ICF装置与核诊断出现,其能力都比上一个十年使用的相同设备提升数个数量级。更高的产额也会促进更高质量的测量,并促进了对控制ICF内爆核物理阶段的物理学认识水平的提升。反过来,这也为ICF项目提供了必要的指导,导致了聚变产额的提高。随着世界范围内新型高聚变产额装置的部署,下一代核物理诊断将在未来数十年中扮演更加重要的角色。

  摘译自:Nuclear diagnostics for Inertial Confinement Fusion (ICF) plasmas. Plasma Physics and Controlled Fusion 62 (2020) 023001

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