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8-MA装置上的Z-箍缩动态黑腔实验研究进展.docx
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8-MA装置上的Z-箍缩动态黑腔实验研究进展.docx
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摘要
综述了 8-MA 装置上近 5 年开展的动态黑腔相关实验研究进展。对动态黑腔能量学典型特
征研究做了小结并与 Z 装置做了对比,对丝阵内爆与低密度泡沫相互作用过程中冲击波传播
与动态黑腔形成特征的诊断手段和重要结果进行了详细阐述,对动态黑腔负载优化过程做了
报道。最后对动态黑腔驱动靶丸内爆实验探索开展了分析与总结。
Abstract
This paper overviews the progress of the dynamic hohlraum (DH) related experimental
research on an 8-MA facility during the last five years. The paper makes a conclusion to
the research of the typical characteristic of the DH energetics, as well as a comparison
with Z-facility. A detailed demonstration of the diagnostic method and results is given on
the features of shock wave propagation and DH formation during wire-array implosion
and interaction with the low-density foam. Some optimization processes for the DH load
are reported. In the end, analysis and conclusion are conducted on experimental
exploration of the DH driven capsule implosion.
1 引言
聚变能源被称为千年能源,而和平利用聚变能源是人类近几十年的追求,实现聚变点火是全
世界物理学家追求的物理目标。作为代表性的 2 条路线,磁约束聚变(MCF)与惯性约束聚变
(ICF)研究发展迅速。自从美国利弗莫尔国家实验室(LLNL)2009 年建成拥有 192 路激光器
的国家点火装置(NIF)
[1-2]
以来,ICF 离点火目标越来越近。美国国家点火装置(NIF)采用辐射
间接驱动 ICF,利用激光照射金黑腔壁后转换成 X 射线压缩靶丸内爆实现热核聚变。通过持
续优化内爆实验设计,聚变放能从 2009 年至 2012 年低脚(Low foot)实验平台
[2-5]
的 2.5 kJ,
到 2014 年高脚(High foot)实验平台的 25 kJ
[6]
,到 2016 年至 2018 年高密度碳(HDC)
[7]
烧蚀
层结合大角(Big foot)实验平台
[8]
的 55 kJ
[9]
,再到 2021 年高产额大半径内爆设计(HYBRID)平
台
[3, 10-11]
结合 I 型黑腔(Iraum)
[12]
的 170 kJ
[13]
,LLNL 又在 2021 年 8 月 8 日宣布实现聚变放能
1.35 MJ,按照 1.9 MJ 的激光馈入能量计算,已经实现了 0.7 倍的聚变增益,对应的中子产额
约为 6×10
17
,将惯性约束聚变点火水平推向了前所未有的新高度。 LLNL 科学家认为,实现
聚变增益“1”只是时间问题。
作为 ICF 的另一条路线,Z-箍缩聚变也在持续取得新进展。该路线主要依托大电流脉冲功率
装置,以美国圣地亚国家实验室(SNL)的 Z 装置为代表,目前其驱动电流高达约 26 MA
[14]
。
SNL 的研究团队先后提出利用动态黑腔 X 射线间接驱动 ICF
[15-18]
、磁化套筒惯性聚变
(MagLIF)
[19-21]
2 种技术方案,各自取得了不错的进展。Z-箍缩动态黑腔(ZPDH)方面,2002 年
Z 装置辐射亮温峰值达到 215 eV
[22-23]
,与 Nova 激光驱动黑腔相当,但 ZPDH 允许的靶丸尺
寸是 Nova 激光驱动黑腔的 5 倍
[24]
,ZPDH 黑腔设计有更多选择以灵活调制靶丸处的辐射场
[25]
。采用 ZPDH 方案,Ruiz 等
[26]
于 2004 年首次报道了约 10
10
的氘-氘(D-D)热核中子产
额,Bailey 等
[25]
于 2006 年进一步研究了动态黑腔驱动靶丸内爆动力学,Rochau 等
[15]
于 2007
年报道 D-D 热核中子产额提升至 3.5×10
11
,这也是动态黑腔 D-D 热核中子产额的最高纪录,
计算表明,再进一步的提升需要后续建造更大电流的脉冲功率装置
[27]
。从此以后,Z 装置的
ICF 研究重心转向由 Slutz 等
[19]
提出的磁化内衬惯性核聚变(MagLIF)方案,该方案希望在显
著降低内爆速度和内爆压力的前提下
[28]
,通过采用轴向千焦耳级激光预热燃料提升燃料绝热
系数
[29-31]
,采用绝缘磁场降低热传导损失以获得燃料高温
[32-34]
,从而增加聚变产额
[20]
。Gomez
等
[28]
在 2014 年通过实验证实了该路线可以产生 2×10
12
的 D-D 热核中子产额。通过提升激
光预热燃料能量至 1.2 kJ,增加轴向磁场强度至 15.9 T,降低磁绝缘传输线电感以提高驱动
电流峰值至 20 MA,Gomez 等
[29]
在 2020 年宣布实现了 1.1×10
13
的 D-D 热核中子产额,对应
氚钛(D-T)等效聚变产额 2 kJ。且模拟计算表明,如果进一步提升上述关键参数(激光预热能
量至 4~6 kJ,轴向磁场强度至 25~30 T,驱动电流峰值至 21~22 MA)后再开展全集成实验,D-
T 等效聚变产额有望达到 100 kJ,SNL 预期相关实验将在 2025 年前完成
[27,35]
。
MagLIF 虽然近 10 年在 Z 装置上取得了不俗的进展,但是其系统组成涉及到部署强磁场和
大激光器,工程非常复杂,目前 8-MA 装置还不具备开展该实验的能力。Z 装置报道的 ZPDH
热核中子产额虽然不如 MagLIF,但也实现了极高的辐射温度和辐射功率,而辐射间接驱动具
有靶丸内爆压缩更加均匀对称的优势。作为点火可行性的实验室研究,ZPDH 是非常值得 8-
MA 装置借鉴的研究路线。8-MA 装置自 2013 年服役以来,开展了大量 ZPDH 辐射源研究
[36-37]
,在证实了能产生较为可观的辐射输出以后
[38-39]
,又进一步探索了 ZPDH 驱动充氘靶丸内
爆研究
[40-41]
。
本文将综述 8-MA 装置上近 5 年开展的动态黑腔相关实验研究进展,并与国外研究进行对比,
包括动态黑腔能量学典型特征、内爆过程中冲击波传播与黑腔形成动力学特征、动态黑腔
负载优化、以及动态黑腔驱动靶丸内爆实验研究。本文主要介绍的 4 项工作中,第 1 项动态
黑腔能量学特征属于最基本的工作,将这些与辐射输出相关的测量结果与美国 Saturn 装
置、Z 装置对比之后,才有信心开展后续第 2 项工作:动力学研究。第 2 项工作实验观测到冲
击波的传播并确认动态黑腔的形成是一亮点,在这样仍算比较小的装置上,能观测到“动态”黑
腔形成证据:热波与冲击波分离,这并非易事。动力学上确认黑腔形成之后加深了对内爆过
程与辐射输运的物理认识,评估出 8-MA 装置间接驱动 ICF 关键量(辐射温度)及其与 Z 装置
的差距,认识到利用该辐射场驱动靶丸内爆的难度,自然就有必要开展第 3 项工作:进一步优
化动态黑腔负载相关几何参数,提升辐射温度指标。黑腔性能得到优化之后,才有信心开展
第 4 项工作:探索 ZPDH 驱动靶丸内爆。可见这 4 项工作环环相扣,密切相关。
2 动态黑腔能量学典型特征
2016 年前,理论计算利用丝阵/泡沫质量比
[42]
、半径比等参量初步确定了相对优化的动态黑
腔负载参数:外层/内层丝阵直径为 20/10 mm,高度为 15 mm,丝根数外层/内层为 168/84,钨
丝直径为 5~7 μm,中心泡沫柱直径为 4.6 mm,密度为 10 mg/cm
3
。实验中,在该参数条件下
观测到了动态黑腔内爆过程辐射的 3 个典型过程特征
[43]
:内外层丝阵等离子体相互作用
(O/I)、丝阵等离子体与泡沫碰撞[(O+I)/T]和箍缩滞止辐射(stagnation),如图 1 所示。这些结
果与 Sanford
[44]
于 2007 年报道的 Z 装置相关实验研究基本一致。目前在 8-MA 电流的驱动
条件下,动态黑腔径向软 X 射线功率峰值约为 10 TW,辐射能量约为 200 kJ,这些能量学特征
与 SNL 曾经的峰值电流约为 7 MA 的 Saturn 装置动态黑腔辐射参数(约 50 TW,约 400
kJ)
[45-46]
差距较小,但与 Z 装置同类实验的约 100 TW 和约 1.4 MJ
[23]
还有较大差距。
图 1. 8-MA 装置上的动态黑腔辐射功率与负载电流波形
Fig. 1. Radial power and load current waveform of dynamic hohlraum on the 8-MA
facility
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3 冲击波传播及黑腔形成动力学证据
Bailey 等
[25]
曾指出,研究动态黑腔辐射驱动 ICF 的首要问题是建立准确描述动态黑腔形成与
演化的物理图像。为此,中国工程物理研究院叶繁等
[39]
设计并建立了同时双能区 X 光图像诊
断技术(图 2),可在同一发次实验中,针对同一空间目标的不同能段 X 射线实现同时成像,从而
清晰地识别出冲击波形成到黑腔形成的完整过程。
图 2. 同时双能区 X 光图像诊断技术示意图。无铍片针孔对应软 X 射线图像(50~400 eV);
有 10 μm 厚铍片针孔对应硬 X 射线图像(>800 eV)
[39]
Fig. 2. Schematics of simulataneous double-energy-region X-ray imaging diagnostic
technique. Pinholes without beryllium filters correspond to soft X-ray images (50--
400 eV); pinholes with beryllium filters correspond to hard X-ray images (>800 eV)
[39]
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利用同时双能区 X 光成像技术,该团队在 shot 334 为代表的发次中观测到了冲击波向心传
播过程中轴向辐射分布的二维图像演化过程,如图 3(左)(中)所示。发现早期仅在软 X 射线
图像上观测到亮环,硬 X 射线图上则没有观测到。原因是早期仅有部分内爆等离子体到达靶
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