[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文提出了一种用于惯性约束聚变的新型混合间接-直接驱动点火方案，结合X射线驱动的内爆与同步的直接激光辐照，形成双烧蚀面结构。由此产生的高密度平台抑制了稀疏波并增强了驱动压力，使内爆速度达到4.3×10⁷ cm/s，收敛比低至（~25），并与传统间接驱动相比，湍流不稳定性增长降低了十倍——尤其在燃料/热斑界面处。

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.

研究动机与目标

• 为解决传统间接驱动惯性约束聚变的局限性，特别是由于稀疏波导致的低烧蚀压力以及胶囊减速阶段严重的流体动力学不稳定性。
• 减少在减速阶段因多次冲击波反射而引起的流体动力学不稳定性增长，尤其在燃料/热斑界面处。
• 实现比传统间接驱动更快的点火速度和更低的收敛比，提升点火的鲁棒性与可行性。
• 证明同时采用直接与间接驱动可稳定临界表面并抑制激光印记效应，同时增强驱动压力。
• 通过2D模拟对比标准点设计的间接驱动靶，验证该方案的有效性。

提出的方法

• 该混合方案采用在高Z空腔中的低温DT胶囊，初始由通过两个激光入口孔（LEHs）进入的激光束产生的X射线间接驱动压缩。
• 六组直接激光束通过LEHs和空腔腰部的四个额外对称孔同时入射，形成具有辐射烧蚀面（RAF）和电子烧蚀面（EAF）的双烧蚀面（DAF）结构。
• DAF结构在RAF与EAF之间形成近乎稳定的高密度平台，抑制了稀疏波并使驱动压力提升至约450 Mbar。
• 临界表面被维持在距胶囊适当距离，以平滑直接激光的印记并减少不对称性。
• 在楔形几何结构上进行2D单模态模拟，扰动从烧蚀层外表面引入，用于评估不稳定性增长，采用改进的Lindl公式计算瑞利-泰勒不稳定性（RTI）增长。
• 将该方案与具有相似激光能量（~1.35 MJ）、辐射温度分布和胶囊尺寸的传统间接驱动点设计靶（PT）进行对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合间接-直接驱动方案是否能抑制辐射烧蚀面前端的稀疏波，从而增强驱动压力？
• RQ2 双烧蚀面结构的形成如何影响内爆速度与收敛比？
• RQ3 与传统间接驱动相比，该混合方案在多大程度上减少了流体动力学不稳定性增长，特别是燃料/热斑界面处？
• RQ4 同时使用直接与间接驱动是否能稳定临界表面并减轻激光印记效应？
• RQ5 在减速阶段，该方案是否显著减少燃料/热斑界面处的多次冲击波反射？

主要发现

• 该混合驱动方案实现了约4.3×10⁷ cm/s的内爆速度，显著高于传统间接驱动点设计靶的约3.8×10⁷ cm/s。
• 收敛比降低至约25，远低于传统间接驱动，表明压缩程度更低，燃料混合风险更小。
• 双烧蚀面结构形成高密度平台，抑制了辐射烧蚀面前端的稀疏波，使驱动压力提升至约450 Mbar。
• 在燃料/热斑界面处的流体动力学不稳定性增长降低了近一个数量级（L=16模态），在停滞时刻的密度轮廓中观察到更小的泡状与尖刺结构。
• 改进的Lindl公式显示，RAF处较低的阿特伍德数（平均约0.63）在加速阶段有助于抑制RTI增长。
• 稀疏冲击波与反弹主冲击波的碰撞延迟了压力梯度的反转，稳定了减速阶段并减少了RTI增长。