[論文レビュー] A new ignition scheme using hybrid indirect-direct drive for inertial confinement fusion

Zhengfeng Fan, Mo Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2013

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、x線駆動圧縮と同時に直接レーザー照射を組み合わせることで二重剥離フロント構造を形成する、慣性核融合における新規なハイブリッド間接・直接駆動イグニッション方式を提案する。その結果得られる高密度プラトーは希薄化波を抑圧し、駆動圧を増加させ、従来の間接駆動と比較して4.3×10⁷ cm/sの圧縮速度、約25の低収束比、および流体力学的不安定性の10倍の低減（特に燃料／ホットスポット界面で顕著）を実現する。

ABSTRACT

A new hybrid indirect-direct-drive ignition scheme is proposed for inertial confinement fusion: a cryogenic capsule encased in a hohlraum is first compressed symmetrically by indirect-drive x-rays, and then accelerated and ignited by both direct-drive lasers and x-rays. A steady high-density plateau newly formed between the radiation and electron ablation fronts suppresses the rarefaction at the radiation ablation front and greatly enhances the drive pressure. Meanwhile, multiple shock reflections at the fuel/hot-spot interface are prevented during capsule deceleration. Thus rapid ignition and burn are realized. In comparison with the conventional indirect drive, the hybrid drive implodes the capsule with a higher velocity ($\sim4.3 imes10^7$ cm/s) and a much lower convergence ratio ($\sim$25), and the growth of hydrodynamic instabilities is significantly reduced, especially at the fuel/hot-spot interface.

研究の動機と目的

• 従来の間接駆動慣性核融合の限界、特に希薄化波による剥離圧の低減とキャプセル減速期における深刻な流体力学的不安定性を解決すること。
• 減速期における複数の衝撃波反射によって引き起こされる、燃料／ホットスポット界面における流体力学的不安定性の増大を低減すること。
• 従来の間接駆動よりも高い圧縮速度と低い収束比を実現し、迅速なイグニッションを可能にすることで、耐障害性とイグニッションの可能性を向上させること。
• 同時に間接駆動と直接駆動を用いることで、臨界表面を安定化させ、レーザーインプリント効果を低減するとともに、駆動圧を増加させることを示すこと。
• 2次元シミュレーションを用いて、標準的なポイント設計の間接駆動ターゲットと比較して不安定性の増大を検証すること。

提案手法

• 低温DTキャプセルを高Zのホールラウムに封入し、2つのレーザー入口穴（LEH）を通じてレーザー光が入射する間接駆動x線で初期圧縮を実施する。
• 6つの直接レーザークラスタがLEHおよびホールラウムのウエスト部に位置する4つの追加の対称的穴を通じて同時に照射され、放射剥離フロント（RAF）と電子剥離フロント（EAF）を有する二重剥離フロント（DAF）構造が形成される。
• DAF構造はRAFとEAFの間にほぼ定常的な高密度プラトーを形成し、希薄化波を抑圧し、駆動圧を約450 Mbarまで増加させる。
• 臨界表面がキャプセルから適切な距離に保たれることで、直接レーザーのインプリントがなだらかにされ、非対称性が低減される。
• アブレーター外表面に摂動を印加した2次元単一モードシミュレーションを、ウェッジ幾何学を用いて実施し、レイノルズ＝ターレイの不安定性（RTI）増大を評価する。この際、リンドルの修正式を用いる。
• 同様のレーザーエネルギー（約1.35 MJ）、放射温度プロファイル、およびキャプセルサイズを持つ従来の間接駆動ポイント設計ターゲット（PT）と比較してベンチマークを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重剥離フロント構造の形成により、放射剥離フロントにおける希薄化波が抑圧され、結果として駆動圧が増加するか？
• RQ2 二重剥離フロント構造の形成が圧縮速度および収束比に与える影響は何か？
• RQ3 ハイブリッド方式は、特に燃料／ホットスポット界面における流体力学的不安定性の増大を、従来の間接駆動と比較してどの程度低減するか？
• RQ4 直接駆動と間接駆動を同時に用いることで、臨界表面が安定化し、レーザーインプリント効果が低減するか？
• RQ5 減速期における燃料／ホットスポット界面で、複数の衝撃波の反射がどのように抑制されるか？

主な発見

• ハイブリッド駆動方式では、従来の間接駆動ポイント設計ターゲットの約3.8×10⁷ cm/sと比較して、圧縮速度が約4.3×10⁷ cm/sに達する。
• 収束比は約25にまで低減され、従来の間接駆動と比較して顕著に低く、燃料混合のリスクが低減される。
• 二重剥離フロント構造は高密度プラトーを形成し、放射剥離フロントにおける希薄化波を抑圧し、駆動圧を約450 Mbarまで増加させる。
• 燃料／ホットスポット界面における流体力学的不安定性の増大は、L=16モードでほぼ1桁低減され、停止状態における密度分布の可視化で泡状およびスパイク状の構造が小さくなっている。
• 修正されたリンドルの式によると、RAFにおける平均して約0.63のアトウッド数の低減が、加速期におけるRTI増大の抑制に寄与している。
• 希薄化された衝撃波と逆向きに跳ね返った主衝撃波の衝突により、圧力勾配の逆転が遅れ、減速期の安定化とRTI増大の低減が実現される。