近日,北京应用物理与计算数学研究所理论团队与中国工程物理研究院激光聚变研究中心实验团队共同实现了神光III主机六孔球腔能量学实验的激光注入。

聚变点火

        实现实验室聚变点火将是人类科学史上史无前例的重大突破,有望为人类提供取之不尽、用之不竭的清洁能源,是科学家们的梦想。耗资三十多亿美元并于2009年3月建成的世界上最大的激光器——美国国家点火装置(NIF)的最重要的目标就是实现聚变点火。尽管美国在NIF上开展的间接驱动惯性约束聚变(ICF)研究中取得了许多堪称里程碑式的重要成果,但其最重要的目标——点火却一直没能实现。导致点火失败的一个众所周知的问题是NIF上所采用的柱形黑腔中辐照对称性无法满足靶丸内爆要求且难以调控。因此,探索可提供高辐照均匀性的黑腔设计成为间接驱动ICF研究领域的一个重要问题。

六孔球腔


 

基于这样的理解与认识,北京应用物理与计算数学研究所的科研人员从理论上提出了新型六孔球腔的概念、构型与设计。六孔球腔具有天然的、皮实的高辐照均匀性,高能量耦合效率和低激光背反份额,而无须复杂的辐照均匀性调控技术。

由于六孔球腔的几何构型及激光排布与传统柱形黑腔的完全不同,因此开展六孔球腔实验研究面临着诸多科学与技术挑战,如激光注入方式、制靶以及辐射场的诊断等等。由于SGIII是为两孔柱腔设计的,因此如何将激光注入到六孔球腔中就成为了一个重要难题。

激光注入、制靶与诊断


 

为了将SGIII激光从六个激光注入孔注入到球腔中,科研人员在全面分析SGIII主机光束排布的基础上最终确定了一种方案将激光成功注入到六孔球腔中。此外,六孔球腔的制靶工艺与传统柱形黑腔完全不同,因此如何制备满足物理需求的新型六孔球腔是该工作面临的又一重大挑战。制靶人员对六孔球腔的制靶需求进行了全面分析,发展了全新的制靶流程,制备出了高质量的六孔球腔。(2017年High Power Laser Science and Engineering期刊出版Target Fabrication专题)

        对于六孔球腔辐射场的诊断,激光聚变研究中心ICF诊断团队采用他们自主研发的平响应X光探测器(FXRD)和M带X光探测器(MXRD)从激光注入孔外不同位置测量六孔球腔不同特征区域发射的辐射流,以便全面评估六孔球腔的辐射场强度;为了评估激光注入孔附近的发射的X光对测量结果的影响,诊断团队研发了针孔相机,用于监测多个激光注入孔的激光注入情况和X光发光;同时还采用冲击波测量技术直接诊断六孔球腔腔内的辐射温度,以便与腔外所测辐射温度进行对比。整个实验的激光注入和诊断排布如图1所示。

开创性工作

在SGIII上开展的首个六孔球腔能量学实验获得了重复性非常好的实验数据,圆满完成了该项实验的物理目标。由FXRD测得的辐射流结果如图2所示。为了评估六孔球腔的激光X光转换效率,在没有可以精确模拟六孔球腔能量学实验的三维辐射流体力学的情况下,理论研究团队采用等效模型,利用二维辐射流体力学程序对六孔球腔能量学进行了评估。结果表明,在SGIII主机条件下,对于3ns的平顶激光脉冲,充气六孔球腔的激光X光转换效率约在83%左右。

在工作中,北京应用物理与计算数学研究所理论团队与中国工程物理研究院激光聚变研究中心实验团队密切合作,对理论方案和实验实施方案进行了精细设计;激光聚变研究中心激光器、制靶和诊断团队成功地解决了激光注入、制靶和诊断等多个重要的科学与技术挑战,相关研究结果发表在最近一期的Physical Review Letters 上(Phys. Rev. Lett. 120, 165001 (2018))。

消息来源:MRE期刊