近期，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Physics（《自然?物理》）發(fā)表了北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心（CAPT）激光等離子體相互作用教研室與中物院激光聚變研究中心（LFRC）、北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所（IAPCM）、國(guó)防科技大學(xué)、深圳技術(shù)大學(xué)和上海光機(jī)所聯(lián)合室等單位在間接驅(qū)動(dòng)高增益激光聚變快點(diǎn)火領(lǐng)域的合作研究成果（題為“Enhanced energy coupling for indirect-drive fast-ignition fusion targets”），報(bào)道了他們?cè)谏窆釯I升級(jí)裝置上努力提高相對(duì)論電子束品質(zhì)和能量沉積效率與中子產(chǎn)額方面取得的重要進(jìn)展。蔡洪波研究員為該文的共同第一作者，谷渝秋研究員為該文的共同通訊作者，中心兩任主任賀賢土院士、張維巖院士是該工作項(xiàng)目的責(zé)任專(zhuān)家。
慣性約束聚變（ICF）是利用高功率激光等驅(qū)動(dòng)源實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火進(jìn)而獲得較大能量增益的一種受控聚變實(shí)現(xiàn)方式，因其有望解決全球能源問(wèn)題而備受矚目。快點(diǎn)火是實(shí)現(xiàn)高增益聚變點(diǎn)火的一種可能技術(shù)途徑，其物理機(jī)理是ICF領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。
圖1. 間接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火方案示意圖。將慣性約束聚變過(guò)程分為了兩個(gè)過(guò)程：(a)內(nèi)爆預(yù)壓縮和(b)快速等容點(diǎn)火
不同于目前在美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）上采用的中心點(diǎn)火方式，快點(diǎn)火將實(shí)現(xiàn)熱核聚變點(diǎn)火過(guò)程分為內(nèi)爆預(yù)壓縮和快速等容加熱兩個(gè)階段（圖1）。研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)激光直接燒蝕（直接驅(qū)動(dòng)）或者激光轉(zhuǎn)換為X光（間接驅(qū)動(dòng)）對(duì)燃料進(jìn)行預(yù)壓縮；然后通過(guò)一束或多束皮秒激光產(chǎn)生相對(duì)論電子束作為能量載體，將預(yù)壓縮燃料迅速加熱至點(diǎn)火溫度從而實(shí)現(xiàn)熱核聚變點(diǎn)火。相比中心點(diǎn)火方式，快點(diǎn)火降低了對(duì)總激光能量的需求，同時(shí)理論上可提供更高的能量增益。
迄今為止，國(guó)際快點(diǎn)火研究主要采用直接驅(qū)動(dòng)方式。但由于直接驅(qū)動(dòng)方式下靶丸預(yù)壓縮狀態(tài)控制和相對(duì)論電子束控制困難，快點(diǎn)火近年來(lái)進(jìn)展緩慢。為了克服這些困難，我國(guó)的激光聚變聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，利用間接驅(qū)動(dòng)方式（圖2），在神光II升級(jí)裝置上完成了國(guó)際首輪間接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火集成實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了間接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的科學(xué)可行性。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
圖2.間接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝配圖
1．提出可抑制內(nèi)爆流體不穩(wěn)定性的high-foot脈沖時(shí)間波形、控制激光加源卸載和內(nèi)爆特征時(shí)刻的間隔兩個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，將靶丸精密地壓縮成梭狀分布，以增加電子束方向物質(zhì)面密度、提高相對(duì)論電子束的能量沉積。結(jié)果顯示由電子束加熱帶來(lái)的聚變中子產(chǎn)額增加由44倍（low-foot）提升至280倍（high-foot），顯著提升了超熱電子束的能量耦合效率。
圖3.間接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火聚變中子增益
2．采用雙層錐靶對(duì)超熱電子束導(dǎo)引，降低電子束發(fā)散角，使超熱電子束更多的朝向高密度預(yù)壓縮區(qū)域發(fā)射；結(jié)合預(yù)壓縮成梭狀的靶丸密度分布，借助這一壓縮狀態(tài)，電子束輸運(yùn)時(shí)產(chǎn)生的自生磁場(chǎng)進(jìn)一步對(duì)后續(xù)的超熱電子束流進(jìn)行準(zhǔn)直，增強(qiáng)電子束在高密度壓縮燃料中的能量沉積，相關(guān)理論由本文作者發(fā)表于Phys.Rev.Lett.102,245001(2009)。
圖4.間接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火內(nèi)爆壓縮狀態(tài)與集成模擬結(jié)果
3．采用間接驅(qū)動(dòng)黒腔輻射方式，降低冕區(qū)非內(nèi)爆中子的干擾。借鑒本團(tuán)隊(duì)前期在黒腔動(dòng)理學(xué)的研究成果（Phys. Rev. Lett. 120, 195001 (2018)），在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用間接驅(qū)動(dòng)黑腔輻射方式替代激光直接燒蝕，降低了聚變靶丸冕區(qū)溫度，進(jìn)一步結(jié)合靶丸表面涂CH以及黑腔充氣等手段，徹底排除了冕區(qū)非內(nèi)爆中子對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使中子診斷環(huán)境更加干凈。
4．采用創(chuàng)新性的高時(shí)間精度時(shí)序診斷手段，精密調(diào)控皮秒激光加載時(shí)間。克服了納秒激光束產(chǎn)生的軟X射線(xiàn)和皮秒激光產(chǎn)生的硬X射線(xiàn)時(shí)空重疊的困難，實(shí)現(xiàn)了高時(shí)間精度時(shí)序測(cè)量，這一成果由本文作者發(fā)表于Rev.Sci.Instrum.90,033504(2019)。
5．綜合理論研究團(tuán)隊(duì)完成了間接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火中涉及到的從黑腔能量學(xué)、輻射流體力學(xué)、動(dòng)理學(xué)強(qiáng)流粒子束產(chǎn)生，混合流體-PIC電子能量輸運(yùn)及能量沉積等物理過(guò)程的模擬，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中的預(yù)脈沖、中子產(chǎn)額以及逃逸超熱電子譜診斷等結(jié)果對(duì)模擬程序進(jìn)行約束，完成了綜合集成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究分析。結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)中，皮秒激光束至靶丸的能量耦合效率達(dá)到了9.4%。在此基礎(chǔ)上，對(duì)NIF尺度預(yù)壓縮條件下間接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火達(dá)到點(diǎn)火需求的超短脈沖激光能量進(jìn)行了外推，結(jié)果顯示需要的激光能量為200kJ/10ps。
快點(diǎn)火集成實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：皮秒激光束至靶丸的能量耦合效率達(dá)到了9.4%，對(duì)預(yù)壓縮靶丸由顯著的加熱作用，內(nèi)爆中子產(chǎn)額增加了280倍。該研究成果對(duì)理解快點(diǎn)火物理有重要意義。神光II升級(jí)裝置上間接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)的成果表明：過(guò)去直接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火所面臨的一些困難可以在間接驅(qū)動(dòng)中得到改善甚至解決，而間接驅(qū)動(dòng)也是目前國(guó)際上超大型慣性約束聚變裝置如美國(guó)NIF，我國(guó)神光系列裝置等所采用的驅(qū)動(dòng)方式，因此這些成果有望在這些超大型裝置上得到應(yīng)用。正如Nature Physics審稿人所指出，“這些結(jié)果引起了短脈沖學(xué)界的強(qiáng)烈興趣，并有可能使世界范圍內(nèi)的快點(diǎn)火研究重新煥發(fā)活力（these result of strong interest to the short pulse community and could potentially rejuvenate the fast ignition research worldwide）”“研究取得許多新進(jìn)展：這是第一次將快點(diǎn)火與間接驅(qū)動(dòng)結(jié)合（There are quite a few novel aspects: this is the first time to combine fast ignition with indirect drive）”“是一項(xiàng)較有影響力的成果（is a relatively high impact result）”，這些是對(duì)該成果中肯的評(píng)價(jià)。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門(mén)資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
