[論文レビュー] Experiments conducted in the burning plasma regime with inertial fusion implosions

Jeffrey S. Ross, J. E. Ralph+150 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 55被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、国立慣性融合ファシリティ（NIF）において、インertial fusionにおける燃焼プラズマ状態の初の実験的達成を報告している。ここでは、圧縮による入射エネルギーを上回る核融合アルファ加熱が観測された。高密度炭素（HDC）被覆のサイズを拡大し、レーザー・コーンエネルギー移動とホールラウム形状最適化による放射対称性を最適化することで、100 kJを超える記録的な核融合中性子生成量と、1 PWを超える瞬時の核融合出力が達成された。

ABSTRACT

An experimental program is currently underway at the National Ignition Facility (NIF) to compress deuterium and tritium (DT) fuel to densities and temperatures sufficient to achieve fusion and energy gain. The primary approach being investigated is indirect drive inertial confinement fusion (ICF), where a high-Z radiation cavity (a hohlraum) is heated by lasers, converting the incident energy into x-ray radiation which in turn drives the DT fuel filled capsule causing it to implode. Previous experiments reported DT fuel gain exceeding unity [O.A. Hurricane et al., Nature 506, 343 (2014)] and then exceeding the kinetic energy of the imploding fuel [S. Le Pape et al., Phys. Rev. Lett. 120, 245003 (2018)]. We report on recent experiments that have achieved record fusion neutron yields on NIF, greater than 100 kJ with momentary fusion powers exceeding 1PW, and have for the first time entered the burning plasma regime where fusion alpha-heating of the fuel exceeds the energy delivered to the fuel via compression. This was accomplished by increasing the size of the high-density carbon (HDC) capsule, increasing energy coupling, while controlling symmetry and implosion design parameters. Two tactics were successful in controlling the radiation flux symmetry and therefore the implosion symmetry: transferring energy between laser cones via plasma waves, and changing the shape of the hohlraum. In conducting these experiments, we controlled for known sources of degradation. Herein we show how these experiments were performed to produce record performance, and demonstrate the data fidelity leading us to conclude that these shots have entered the burning plasma regime.

研究の動機と目的

• 圧縮によるエネルギー入射を上回る燃料のアルファ加熱が発生する慣性核融合における燃焼プラズマ状態の達成。
• 高密度炭素（HDC）被覆のサイズを10–15%スケールアップすることで、過去の記録を超える核融合エネルギー出力を得ること。
• レーザー・コーンエネルギー移動とホールラウム形状変更を用いて、放射駆動対称性を制御し、特に極方向モード2（P2）の不均一性を低減すること。
• 高精度な診断とシミュレーションによる実験的性能の検証を通し、燃料内での自己加熱の発生を確認すること。

提案手法

• 192本のNIFレーザー光ビーム（351 nm波長）を用いてx線放射を生成するホールラウムを加熱し、間接駆動型慣性閉じ込め核融合を実施。
• HDC被覆の内半径を約910–950 μmから1000–1050 μmに増大させ、エネルギー結合効率と被覆エネルギー（Ecap）を30–40%向上。
• プラズマ波を介したレーザー・コーンエネルギー移動を用いて、放射駆動の対称性を向上させ、P2不均一性を低減。
• ホールラウムの幾何形状を変更し、放射フラックスの対称性を制御し、インプロージョンの均一性を向上。
• 時間分解型X線フレームカメラ、中性子飛行時間診断、核分光計を用いて、核融合生成量とホットスポット状態を測定。
• 3次元放射流体力学シミュレーション（HYDRA、Cretin）と1次元ホットスポットモデルを用い、性能の検証とエネルギーバランスの推定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 間接駆動型ICFにおけるより大きな被覆が、十分なエネルギー結合を達成し、燃焼プラズマ状態に到達できるか。
• RQ2 レーザー・コーンエネルギー移動とホールラウム形状最適化によって、P2不均一性はどの程度低減され、インプロージョン対称性はどのように向上するか。
• RQ3 最適化されたインプロージョン条件下で、得られる最大の中性子生成量と瞬時の核融合出力は何か。
• RQ4 測定された核融合エネルギー利得が、アルファ加熱が圧縮によるエネルギー入力を超えることを確認できるか。
• RQ5 実験的診断とシミュレーションは、自己持続的核融合燃焼の発生をどの程度正当化できるか。

主な発見

• 実験では、慣性核融合分野で過去最多となる100 kJを超える核融合中性子生成量を達成した。
• 瞬時の核融合出力は1 PWを超えた。これは燃焼段階における極めて高いエネルギー集中を示している。
• 初めてとして、核融合アルファ加熱が圧縮によるエネルギー入力を超えることが観測され、燃焼プラズマ状態への到達が確認された。
• 1000–1050 μmの内半径を持つHDC被覆は、前回実験と比較してエネルギー結合効率を30–40%向上させ、より高い生成量と改善されたエネルギーバランスを実現した。
• レーザー・コーンエネルギー移動とホールラウム形状変更により、P2不均一性が効果的に低減され、インプロージョン対称性と性能が向上した。
• 高精度な診断とシミュレーションにより、データの一貫性が確認され、システムが自己持続的核融合燃焼に到達したという結論の妥当性が裏付けられた。