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OMEGA与国家点火装置上的国家直接驱动研究
信息来源:信息管理中心 发布时间:2017年12月28日 【 】 【打印】 【关闭

  相同的激光能量下,与间接驱动方式相比,采用激光直接驱动方式(laser direct-drive, DD)能将更多驱动能量耦合到热斑中,所需的峰值压强与压缩比也较低。为了实现以DD方式成功完成点火示范的目标,当前制定的国家战略包括多项任务目标,并有多个国家与国际机构参与。其中任务之一就是在OMEGA和国家点火装置(National Ignition Facility, NIF)上进行的低温内爆实验验证,推进人们对激光等离子体相互作用和激光耦合的研究。DD靶设计要求中心停滞压强超过100Gbar。目前在OMEGA上进行的实验中的,靶中心峰值压强达到了56Gbar。冷冻靶实验的大量数值分析以及二维和三维模拟表明,功率平衡,靶补偿和靶的质量是靶性能参数的主要限制因素。此外,交叉光束能量转移(CBET)已被确定为降低激光耦合的主要机制。为了在OMEGA上验证流体力学等效,需要提升功率平衡,改进发射时的靶位置与靶质量。CBET必须显著降低,目前,多项解决方案已经提出。 

  目前由国家点火装置(NIF)推动,采用激光驱动惯性约束聚变(ICF)实现点火的主要方法是X射线(或间接)驱动(ID),此方法中,激光能量由黑体辐射腔吸收,以X射线的形式再次发射并驱动燃料靶丸。另一种主流的ICF激光方法,直接驱动(DD),激光直接与内爆靶球烧蚀产生的等离子体耦合并驱动靶。ID的主要优势是降低了内爆对短期光束不均匀性的敏感度。DD的主要优势是与ID相比具有更高的激光能转变为外壳动能(流体力学效率)的耦合效率(35倍)。OMEGA激光系统与海军研究实验室(NRL)的KrF激光器NIKE是美国进行DD实验的主要装置。 

  OMEGA冷冻内爆 

  靶的性能取决于驱动与均匀性条件。 

  1-D物理学 

  在评估靶性能的多维效应的重要性之前,为关键的内爆参数建模必须经过实验验证。通过自发辐射成像法可测量烧蚀轨迹与质量烧蚀率,来推断内爆速度与外壳动能。烧蚀压强可由与测得的烧蚀轨迹,质量烧蚀率,爆炸时间,散射光功率及光谱相匹配的模拟结果推断得出。最后,使用VISAR测量脉冲早期的冲击波速度可推断出由冲击波引发的绝热线。 

  

1 粒子放大因数作为点火压强参数的函数。图中的点表示从OMEGANIF量级的不同激光器能量的1-D LILAC模拟结果。实线是对1的模拟结果的拟合。 

  

2 点火压强参数缩放至对应1.8MJ的激光能量。菱形点表示由实验数据推导得出的数值,方块点显示在全CBET效应下的1-D模拟结果,标着“CBET减缓的1-D模拟的实线表示模拟CBET完全减缓时的线性拟合。标着误差棒的竖直线可显示为的推测值的典型误差棒。 

  多维效应 

  间接驱动和直接驱动设计的稳定特性是不同的。直接驱动设计中,CH薄层在脉冲早期从外壳脱落,以利用更高的DT流体力学效率。由于在加速期间外壳包含了大部分的DT,燃料绝热线α与平均飞行外壳绝热线αshell(决定了外壳稳定特性)是近似相等的。则外壳飞行纵横比(IFAR,定义为靶半径相对外壳厚度的比)为: 

  

  2靶性能 

  2显示了由OMEGA冷冻内爆推断得出的成比例的点火压强参数 

  由图2可得,当激光能量达到NIF可提供的量级,目前在OMEGA上进行的内爆可达到点火需要压强的40%。则使用图1中的粒子放大率,这些内爆的收益将由于粒子加热而变为两倍。 

  3-D模拟结果 

  源于靶补偿,光束截面几何,光束功率不平衡以及错误指向的长波长不均匀性演变通过3-D流体力学代码ASTER进行研究。这些模拟显示由这样的不均匀性形成的气泡(从中央区突出并伸向高密度外壳的低密度材料区域)会因为减速RTBP的增长而进一步发展。随着外壳继续压缩,这些气泡最终会突破外壳,过早地抑制热斑限制与中子产量。由于不均匀性导致峰值燃烧提前发生,基于聚变产物的观测在外壳压缩没有达到峰值时对内爆环境进行了采样。这一效应以及由3D效应导致的非径向流会妨碍燃料达到停滞,限制了峰值燃烧时外壳动能转为热斑内能的转换效率。 

  激光耦合与CBET 

  外壳稳定特性可通过增加激光耦合及把外壳做厚得到显著的提升。对OMEGA直接驱动内爆的分析显示与CBET相关的耦合损耗明显地限制了烧蚀压强(OMEGA上达到40%,在NIF量级上可达60%),内爆速度,以及外壳动能。 

  CBET缓解方案中的一项包括减小光束相对初始靶的尺寸。该方案通过了理论验证与实验验证,弥补了一些耦合损耗并提高了烧蚀压强。 

  OMEGA上进行的降低光束靶尺寸比例的实验证明流体力学效率得到了提升。然而,在这样的内爆实验中,靶的性能却是退化的。这可以解释,由3-D ASTER模拟结果可知,在这些内爆实验中,由于光束重叠的减少,因为功率不平衡导致的不对称性被加强了。 

  结论 

  相比于间接驱动设计,直接驱动方法点火在激光耦合到外壳动能方面有了显著的(35倍因数)提升。OMEGA上进行的冷冻内爆达到了56Gbar的热斑压强,即点火要求的40%。将这些结论外推到NIF量级的激光能量,可预测由于粒子加热的原因,收益将增加至两倍。在OMEGA上进行的低温实验采用比靶尺度更小的光束尺寸(Rb/Rtaget1),用以降低CBET损耗,证明可增加激光耦合与流体力学效率。然而,这一耦合效率的提升并没有提升靶的性能。数值模拟表明由靶补和功率不平衡产生的长波长不均匀性会导致靶中央体积增加及早期燃烧截断。要在OMEGA上验证流体力学等效,需要提升功率平衡,改进发射时的靶位置与靶质量。必须降低CBET来增加燃料质量并提升外壳稳定性。缓解CBET的方案包括降低相对靶尺度的光束尺寸,以及激光波长分离。 

摘译自: National direct-drive program on OMEGA and the National Ignition Facility. Goncharov, VN; Regan, SP; Campbell, EM et al.PLASMA PHYSICS AND CONTROLLED FUSION,59(1): 014008,2017 


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