[논문 리뷰] A new ignition scheme using hybrid indirect-direct drive for inertial confinement fusion

Zhengfeng Fan, Mo Chen외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 06.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 관성 압축 핵융합를 위한 새로운 하이브리드 간접-직접 구동 방식을 제안하며, x선 구동 압축과 동시에 직렬 레이저 조사가 결합되어 이중 기화면 구조를 형성한다. 이로 인해 고밀도 플랫폼이 형성되어 희박화 파동을 억제하고 구동 압력을 향상시켜, 기존 간접 구동 대비 4.3×10⁷ cm/s의 높은 압축 속도, 약 25의 낮은 수축 비율, 그리고 유체역학적 불안정성 성장이 10배 감소하는 결과를 이룬다. 특히 연료/고온핵 영역 인터페이스에서 두드러진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 간접 구동 ICF의 한계, 특히 희박화 파동으로 인한 낮은 기화 압력과 캡슐 감속 단계에서의 심각한 유체역학적 불안정성 문제를 해결하기 위해.
• 감속 단계 동안 여러 번의 충격 반사로 인해 발생하는 불안정성 성장, 특히 연료/고온핵 인터페이스에서의 성장 억제를 위해.
• 기존 간접 구동보다 더 빠른 발화를 달성하고, 더 높은 압축 속도와 더 낮은 수축 비율을 확보함으로써 내구성과 발화 가능성 향상을 위해.
• 동시 직렬 및 간접 구동이 임계 표면을 안정화하고 레이저 임프린팅을 억제하면서도 구동 압력을 향상시킬 수 있는지 확인하기 위해.
• 유사한 레이저 에너지(~1.35 MJ), 복사 온도 프로파일 및 캡슐 크기를 갖는 표준 점설계 간접 구동 타겟과의 비교를 통해 2차원 시뮬레이션을 통해 이 방식을 검증하기 위해.

제안 방법

• 고온도 Z 원소로 구성된 홀라룸 내에 냉각된 DT 캡슐을 사용하며, 레이저 빔이 두 개의 레이저 입구홀(Laser-Entrance Hole, LEH)을 통해 들어와 간접 구동 x선으로 초기적으로 압축된다.
• 여섯 개의 레이저 빔 클러스터가 LEH와 함께 홀라룸의 허리 부분에 위치한 네 개의 추가 대칭 구멍을 통해 동시에 입사하여, 복사 기화면(Radiation Ablation Front, RAF)과 전자 기화면(Electron Ablation Front, EAF)을 갖는 이중 기화면(Double-Ablation-Front, DAF) 구조를 형성한다.
• DAF 구조는 RAF와 EAF 사이에 거의 정적인 고밀도 플랫폼을 형성하여, 희박화 파동을 억제하고 구동 압력을 약 450 Mbar로 증가시킨다.
• 임계 표면이 캡슐에서 적절한 거리에 유지되어 직렬 레이저의 임프린팅을 부드럽게 하고 비대칭성을 감소시킨다.
• 압축 표면 외부에 불안정성의 초기 조건을 설정한 2차원 단일 모드 시뮬레이션을 쐐기 기하구조에서 수행하였으며, 레이저-테일러 불안정성(Rayleigh-Taylor Instability, RTI) 성장을 평가하기 위해 수정된 린들 공식을 사용하였다.
• 유사한 레이저 에너지(~1.35 MJ), 복사 온도 프로파일, 캡슐 크기를 갖는 기존 점설계 간접 구동 타겟(PT)과의 비교를 통해 이 방식을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 간접-직접 구동 방식이 복사 기화면에서 희박화 파동을 억제하고, 그로 인해 구동 압력을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 이중 기화면 구조의 형성이 압축 속도와 수축 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존 간접 구동 대비 이 하이브리드 방식이 유체역학적 불안정성 성장, 특히 연료/고온핵 인터페이스에서 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 동시 직렬 및 간접 구동이 임계 표면을 안정화하고 레이저 임프린팅 영향을 완화시킬 수 있는가?
• RQ5 감속 단계 동안 연료/고온핵 인터페이스에서 다중 충격 반사 현상이 이 방식으로 어떻게 감소하는가?

주요 결과

• 하이브리드 구동 방식은 약 4.3×10⁷ cm/s의 압축 속도를 달성하였으며, 기존 간접 구동 점설계 타겟의 약 3.8×10⁷ cm/s보다 뚜렷하게 높다.
• 수축 비율은 약 25로 기존 간접 구동보다 상당히 낮아져, 연료 혼합 위험도 감소하고 더 적은 압축을 의미한다.
• 이중 기화면 구조는 복사 기화면에서 희박화 파동을 억제하고, 약 450 Mbar의 구동 압력을 증가시키는 고밀도 플랫폼을 형성한다.
• 연료/고온핵 인터페이스에서의 유체역학적 불안정성 성장은 L=16 모드에서 거의 한 계단 감소하였으며, 정지 상태에서의 밀도 등고선도에서 더 작은 버블 및 스피크 형상이 관찰되었다.
• 수정된 린들 공식에 따르면, RAF에서 평균 약 0.63 수준의 아틀우드 수가 감소하여 가속 단계 동안 RTI 성장이 억제된 것으로 나타났다.
• 희박화된 충격파가 주된 반사 충격파와 충돌함으로써 압력 기울기의 반전을 지연시켜 감속 단계를 안정화시키고 RTI 성장을 감소시켰다.