郑坚教授课题组提出了一种具有高激光印迹抗性的泡沫壳层聚变靶方案

发布时间:2022-07-19浏览次数:13



近日,等离子体物理与聚变工程系的郑坚教授团队采用数值模拟手段展示了一种通过泡沫材料壳层提升激光聚变靶内爆性能的方案。研究明确了泡沫材料的致稳机理,量化给出了最优的泡沫参数。此设计有望增强靶丸对激光印迹的抗性,减小后续不稳定性发展的种子,保证内爆燃料的结构完整性。该研究成果以“Mitigating laser imprint with a foam overcoating”为题发表在《Physics of Plasmas》上,第一作者是博士研究生刘冬雪,通讯作者是陶弢博士和郑坚教授。

采用激光直接辐照靶丸表面驱动内爆可以获得非常高的激光利用率,但要面临严重激光印迹的挑战,来自束间叠加、焦斑截面的功率扰动在辐照初期就可能轻易破坏靶的理想对称性,随之产生的面密度扰动将成为后续加速瑞利泰勒不稳定性的种子。有文章指出,固体靶表面覆盖泡沫层可能有助于提升烧蚀过程中对激光临界密度面扰动的抗性。根据激光驱动内爆的一般经验,更大的等离子体特征长度确与不稳定性致稳具有正相关性,然而针对特定装置的激光强度、扰动波谱,如何选取最优的泡沫密度、泡沫厚度还缺乏定量依据。

本工作中,作者通过辐射流体模拟明确了泡沫壳层固体靶的各类致稳机制,并结合量纲分析得出了泡沫的最优化参数。数值模拟表明,除了电子热传导导致的热平滑和质量烧蚀致稳外,还有其它机制对扰动的抑制有效。第一,泡沫靶中增强的辐射输运可以提升扰动面振荡频率并减小扰动幅值,选取合适的泡沫厚度将可以实现面密度扰动达最小值时耦合固体靶。第二,激波在穿透泡沫与固体靶交界层时会由于声速不匹配而增强,使烧蚀面和激波面之间距离增大,降低激波面扰动以及面密度扰动幅值。采用量纲分析的手段确定了功率密度1012 -1013W/cm2的典型驱动激光下最优泡沫的参数:最优的泡沫厚度在2-3

特征扰动波长,最优的泡沫密度在1/2-3/2

激光临界密度。本文中提出的泡沫设计原则能够适应直接驱动方案中典型的激光特征,有望降低直接驱动聚变靶的初始扰动种子,提升工程实践中内爆方案的稳定性。对于实验设计、风险评估具有参考意义。

该项研究得到了中科院先导专项等基金资助。文章全文见:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0096994

1. 附加横向正弦功率扰动的激光(红实线,351nm紫外光,扰动波长20um,调制度35%)烧蚀有/无泡沫覆盖靶的密度演化,黑虚线标注临界密度面,黑实线标注烧蚀前沿。(a-bCH固体靶表面覆盖60um0.025g/cm3泡沫壳层的结果;(c-d)仅固体靶结果。



2.a)固定泡沫壳层厚度60um,改变激光功率调制度,考察面密度扰动随时间的演化;(b)固定35%激光功率调制度,改变泡沫厚度,考察面密度扰动随时间的演化。虚线框展示了其中几个具有震荡特征的扰动面,在冲击由泡沫向固体靶内传导的过程中可见幅度减小。



等离子体物理与聚变工程系(校内编号52系)成立于2020年,是中国第一个专门从事等离子体物理与聚变工程教学科研的系级单位,其前身是成立于1974年的等离子体物理教研室。52系具有应用物理和工程物理两个本科专业,招收物理学(等离子体物理)以及核科学技术(核能工程)两个培养方向的研究生。