激光间接驱动聚变内爆流体不稳定性研究

激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)内爆过程多层靶球各个界面发生的流体力学不稳定性是影响聚变点火成功的关键因素.为深入了解内爆过程这样不稳定性的发生、发展和它对聚变点火的影响,研制成了研究内爆多介质辐射流体力学过程的高精度二维(局部三维)大型LARED-S程序,并在长期研究实践中不断发展和改善.该程序模拟结果与不稳定性线性和弱非线性解析结果,以及非线性激波管实验结果都很好符合.应用这一程序,进行了大量数值模拟研究,结合理论模型分析,获得了大量流体力学不稳定性发展和演化的重要结果和物理规律认识.获得了具有不同密度、速度、磁场分布的Rayleigh-Taylor(RT)和Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性的线性增长率,以及它们在不可压缩条件下的弱非线性发展的解析解,表明了两者在不同Froude数、密度过渡层厚度、速度剪切层下的竞争关系;通过数值模拟,发现弱预热条件下烧蚀RT不稳定性二次谐波非线性发展导致不稳定增长尖钉(Spike)断裂的重要过程;数值模拟进一步揭露了强预热条件下,烧蚀RT不稳定性非线性发展导致不稳定增长尖钉出现射流状结构,气泡发生加速;还发现强烈的电子热传导使初始单模扰动的KH不稳定性大大削弱,然而却可能使两模扰动非线性发展增大混合尺度.在神光II激光装置上开展了一系列烧蚀RT不稳定性实验.平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流,且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响.实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像.通过提高空间分辨率,实验获得了二次和三次谐波的增长数据.模拟结果与实验结果相符合.神光II激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算.在上述理论和实验认识基础上,进行了ICF聚变点火靶物理研究.主要研究靶丸内外表面单球谐模扰动、辐射不对称性、内爆热斑界面不稳定性、黑腔辐射M带以及氘氚(DT)主燃料低阶模面密度不均匀性等物理过程对ICF内爆流体不稳定性的影响.对于ICF间接驱动初始烧蚀层外表面和DT冰内表面的单模粗糙度扰动和辐射驱动不对称性扰动,获得了不稳定性增长规律,提高了热斑界面扰动增长对点火影响和黑腔M带X射线能谱对内爆稳定性影响的物理认识.模拟研究表明DT主燃料面密度不均匀严重影响内爆动能转换为燃料内能的效率和内爆惯性约束时间.研究结果不仅对研究ICF内爆点火有重要参考价值,而且对发生在天体和自然界中流体不稳定性的物理本质理解会有帮助.     

聚变内爆流体受激光间接驱动后的不稳定性表现

多层靶球每个界面所发生的流体力学的不稳定关系到激光间接驱动惯性约束聚变的点火成功,通过对过程的分析得出爆多介质辐射相关射流体力学中的局部三维应用LARED-S程序.得出系统的总结和反馈,并通过结果得出不稳定性线性和弱非线性结果的表述,进而非线性试验都符合,通过相应的模拟数值试验并铜鼓铝轮模型构建分析,得出ICf爆点火研究意义并得出自然界流体的物理学观察意义,其结论为其聚变后内爆发生中,相应的流体和激光产生不稳定的间接影响驱动,出现一种不稳定的反馈使得聚变后内爆流体出现数值增加和压力膨胀现象.     

我国激光惯性约束聚变实验研究进展

介绍国内自2000年以来的激光惯性聚变（inertial confrnementfusion,ICF）实验研究进展,主要内容为神光Ⅱ激光装置上的实验,也对刚建成不久的神光III原型装置上的实验作简要介绍。在神光Ⅱ激光装置上开展了多项的物理实验研究,进行了系列综合和分解实验,获得的主要实验技术指标为：黑腔峰值辐射温度超过二百万度;辐射驱动DT聚变中子产额达10^8和辐射驱动压缩DD燃料密度超过10倍液氘密度;辐射不透明的样品温度接近100eV。在神光Ⅱ装置上得到这些结果表明国内在惯性约束聚变研究方面取得了显著的进步。随着神光Ⅲ原型装置建造的完成,2007年在该装置上进行了首轮物理实验,开展了黑腔物理和辐射内爆物理实验,首轮实验的成功说明神光Ⅲ原型装置已具备实验能力。     

激光微加工技术在惯性约束聚变研究中的应用

介绍了激光微加工技术的发展及应用概况,重点阐述了利用激光微加工技术制备惯性约束聚变研究中X光成像所用针孔、针孔阵列、狭缝及靶元件的实例,分析了影响加工质量的相关因素,提出了进一步拓展该项应用技术的方向。     

应用于惯性约束聚变的激光微加工技术研究

各种式样的针孔板以及狭缝片是惯性约束聚变(ICF)以及高能量密度物理(HEDP)实验研究中诊断设备的重要构成部分。从实验诊断中所需求的多种结构类型的针孔板/狭缝片出发,针对激光微加工加工参数进行了细致的性能研究优化了针孔板参数指标,同时针对狭缝片加工创新地提出了"三段式"新型加工工艺,提升了狭缝片参数指标。最终,针对孔径在12~15μm的4X4针孔阵列板其孔径一致性从40%提升到20%,缝宽20μm的狭缝片其平整性从±5μm提升到±2μm,解决了100×100超大型针孔阵列出现的针孔形状不规则问题,显著地提升了实验诊断所用的针孔板/狭缝片的性能。     

惯性约束聚变等离子体的光谱诊断（Ⅰ）

利用经过评估的原子结构和动力学参数,针对惯性约束聚变等离子体的局域和非局域热动平衡状态,计算了等离子体中的特征发射光谱,并分析其随等离子体温度密度变化的规律．研究发现离子特征谱线的共振线强度比值、伴线与共振线强度比值对等离子体温度变化很敏感,而特征谱线的线形函数对等离子体密度变化较敏感．这些性质可以用来诊断等离子体温度和密度状态．     

惯性约束聚变等离子体的光谱诊断（Ⅱ）

基于对惯性约束聚变等离子体特征发射光谱及其辐射线形的规律研究,分析了中国工程物理研究院最近几年的惯性约束聚变内爆实验测量结果,初步得到了一些发次对应的等离子体温度和密度状态,并且能够简单地判断靶丸内的掺杂物质氩与内壁涂的硫是否发生了混合．此外,发现一些发次的光谱来源于金腔壁的高温高密度等离子体区域,分析后推测这可能是由于多路激光打在金腔壁后,光斑区之间喷射的等离子体互相挤压产生的,即类似“十字架”的结构．     

磁惯性约束聚变:通向聚变能源的新途径

磁约束聚变和惯性约束聚变是两种传统的聚变方式,磁约束聚变的能量增益已经达到得失相当,惯性约束聚变近年来也取得了突破性进展.但传统聚变方式的等离子体参数处于两个极端,相差11个量级,且它们的设施庞大,成本高昂,研发周期很长.磁惯性约束聚变兼具两种传统聚变方案的特点,其等离子体参数介于它们之间,同时由于其成本低廉,设施小型化,研发周期相对较短等优势,因此具有潜在的商业价值,近年来成为国际上比较活跃的研究领域.本文将详细介绍磁惯性约束聚变的特点以及该领域的最新进展.     

惯性约束聚变中内爆稳定性问题

本文根据美国、日、英、法、俄、德等国关于惯性约束聚变（ＩＣＦ）的报导和对ＩＣＦ中稳定性重要意义的认识，对流体动力学不稳定性有关的一些主要问题做了分析与评述。归纳并论述了减小不稳定性等不良影响的对策。对今后应开展的研究工作也提出了初步看法。     

MCNP在惯性约束聚变核探测中的初步应用

随着惯性约束聚变的发展,对聚变产物特别是中子探测的定量分析变得非常重要。采用三维Monte Carlo输运程序MCNP(Monte Carlo N-particle),对不同铅屏蔽厚度下探测器的DT中子相对灵敏度,和中子半影成像的数值模拟进行了一定的研究。结果显示,相对灵敏度的模拟与实验结果符合得很好,而中子成像模拟能为惯性约束聚变物理实验的开展提供指导。     

激光惯性约束核聚变历程回眸

惯性约束核聚变是获取聚变能的一种可能途径,随着更大型激光驱动器的建成,正在探索点火点附近的各种物理过程和实现点火的方式,以期未来可以实现真正的聚变点火,同时大型激光驱动器也推动了高能密度物理研究的发展,实验结果表明,当前惯性约束核聚变研究正处于困难和机遇共存的阶段,本文对惯性约束核聚变以及大型激光驱动器的发展历程进行回顾,并对实验的结果进行简单综述。