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北京大学应用物理与技术研究中心与合作单位在《Nature Physics》发表激光聚变快点火方面的重要进展

2020-04-27

近期,国际学术期刊《Nature Physics》(《自然?物理》)发表了北京大学应用物理与技术研究中心(CAPT)激光等离子体相互作用教研室与中物院激光聚变研究中心(LFRC)、北京应用物理与计算数学研究所(IAPCM)、国防科技大学、深圳技术大学和上海光机所联合室等单位在间接驱动高增益激光聚变快点火领域的合作研究成果(题为“Enhanced energy coupling for indirect-drive fast-ignition fusion targets”),报道了他们在神光II升级装置上努力提高相对论电子束品质和能量沉积效率与中子产额方面取得的重要进展。蔡洪波研究员为该文的共同第一编辑,谷渝秋研究员为该文的共同通讯编辑,中心两任主任贺贤土院士、张维岩院士是该工作项目的责任专家。

惯性约束聚变(ICF)是利用高功率激光等驱动源实现聚变点火进而获得较大能量增益的一种受控聚变实现方式,因其有望解决全球能源问题而备受瞩目。快点火是实现高增益聚变点火的一种可能技术途径,其物理机理是ICF领域研究的核心内容之一。


图1. 间接驱动快点火方案示意图。将惯性约束聚变过程分为了两个过程:(a)内爆预压缩和(b)快速等容点火

不同于目前在美国国家点火装置(NIF)上采用的中心点火方式,快点火将实现热核聚变点火过程分为内爆预压缩和快速等容加热两个阶段(图1)。首先通过激光直接烧蚀(直接驱动)或者激光转换为X光(间接驱动)对燃料进行预压缩;然后通过一束或多束皮秒激光产生相对论电子束作为能量载体,将预压缩燃料迅速加热至点火温度从而实现热核聚变点火。相比中心点火方式,快点火降低了对总激光能量的需求,同时理论上可提供更高的能量增益。

迄今为止,国际快点火研究主要采用直接驱动方式。但由于直接驱动方式下靶丸预压缩状态控制和相对论电子束控制困难,快点火近年来进展缓慢。为了克服这些困难,我国的激光聚变联合研究团队另辟蹊径,利用间接驱动方式(图2),在神光II升级装置上完成了国际首轮间接驱动快点火集成实验,验证了间接驱动快点火创新设计方案的科学可行性。主要创新点如下:


图2. 间接驱动快点火实验装配图

1.提出可抑制内爆流体不稳定性的high-foot脉冲时间波形、控制激光加源卸载和内爆特征时刻的间隔两个技术关键点,将靶丸精密地压缩成梭状分布,以增加电子束方向物质面密度、提高相对论电子束的能量沉积。结果显示由电子束加热带来的聚变中子产额增加由44倍(low-foot)提升至280倍(high-foot),显著提升了超热电子束的能量耦合效率。


图3. 间接驱动快点火聚变中子增益

2.采用双层锥靶对超热电子束导引,降低电子束发散角,使超热电子束更多的朝向高密度预压缩区域发射;结合预压缩成梭状的靶丸密度分布,借助这一压缩状态,电子束输运时产生的自生磁场进一步对后续的超热电子束流进行准直,增强电子束在高密度压缩燃料中的能量沉积,相关理论由本文编辑发表于Phys. Rev. Lett. 102, 245001 (2009)。


图4.间接驱动快点火内爆压缩状态与集成模拟结果

3.采用间接驱动黒腔辐射方式,降低冕区非内爆中子的干扰。借鉴本团队前期在黒腔动理学的研究成果(Phys. Rev. Lett. 120, 195001 (2018)),在实验设计中采用间接驱动黑腔辐射方式替代激光直接烧蚀,降低了聚变靶丸冕区温度,进一步结合靶丸表面涂CH以及黑腔充气等手段,彻底排除了冕区非内爆中子对实验结果的影响,使中子诊断环境更加干净。

4.采用创新性的高时间精度时序诊断手段,精密调控皮秒激光加载时间。克服了纳秒激光束产生的软X射线和皮秒激光产生的硬X射线时空重叠的困难,实现了高时间精度时序测量,这一成果由本文编辑发表于Rev. Sci. Instrum. 90, 033504 (2019)。

5.综合理论研究团队完成了间接驱动快点火中涉及到的从黑腔能量学、辐射流体力学、动理学强流粒子束产生,混合流体-PIC电子能量输运及能量沉积等物理过程的模拟,结合实验中的预脉冲、中子产额以及逃逸超热电子谱诊断等结果对模拟程序进行约束,完成了综合集成实验结果的研究分析。结果显示,在实验中,皮秒激光束至靶丸的能量耦合效率达到了9.4%。在此基础上,对NIF尺度预压缩条件下间接驱动快点火达到点火需求的超短脉冲激光能量进行了外推,结果显示需要的激光能量为200kJ/10ps。

快点火集成实验结果表明:皮秒激光束至靶丸的能量耦合效率达到了9.4%,对预压缩靶丸由显著的加热作用,内爆中子产额增加了280倍。该研究成果对理解快点火物理有重要意义。神光II升级装置上间接驱动快点火实验的成果表明:过去直接驱动快点火所面临的一些困难可以在间接驱动中得到改善甚至解决,而间接驱动也是目前国际上超大型惯性约束聚变装置如美国NIF,我国神光系列装置等所采用的驱动方式,因此这些成果有望在这些超大型装置上得到应用。正如Nature Physics审稿人所指出,“这些结果引起了短脉冲学界的强烈兴趣,并有可能使世界范围内的快点火研究重新焕发活力(these result of strong interest to the short pulse community and could potentially rejuvenate the fast ignition research worldwide)”,“研究取得许多新进展:这是第一次将快点火与间接驱动结合(There are quite a few novel aspects: this is the first time to combine fast ignition with indirect drive)”,“是一项较有影响力的成果(is a relatively high impact result)”,这些是对该成果中肯的评价。

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41567-020-0878-9

延伸阅读:《北京大学应用物理与技术研究中心在ICF黑腔动理学效应研究取得重要进展》

 

 

 

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