惯性约束聚变爆炸中燃料烧蚀体界面不稳定性增长的首次实验

发布时间: 2016-09-20 16:18:02   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  

   研究和减少发生在惯性约束聚变(ICF)舱的内爆过程中的流体力学不稳定增长对于实现所需的聚变性能和利用惯性约束聚变融合实现最终点火具有重要意义。在使用国家点火装置(NIF)激光束照射高Z值(Au或U)的黑体辐射空腔间接驱动装置中,能量转化为软x射线。腔内的x射线加热和烧蚀靶丸,向内发送一系列时间精确的冲击波并且将靶丸压缩到比初始半径小30–40倍的尺寸。这个压缩过程产生了流体力学不稳定性,例如在靶丸的烧蚀体前表面产生的烧蚀体瑞利泰勒(RT)不稳定性和氘氚(DT)燃料与烧蚀体界面之间的经典RT以及Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性。

  为了更好地理解这些惯性约束聚变内爆的不稳定增长,科学家做了一系列的实验来测量扰动的增长。到目前为止, 在一些模数和使用几个脉冲形状时,模拟与观察到的增长得到很好的吻合。这些测量是在靶丸外施加微扰并且在烧蚀体前表面测量其增长。而在本文中,我们报道了首次直接测量DT燃料和烧蚀体界面的扰动增长的实验。  

  实验的设置如图1所示,靶丸放置在一个铝锥上,放在铝黑体辐射腔的中心位置。NIF192束激光中,184束直接进入黑体辐射腔,剩下的八个激光束打向一个Sc背光源靶,产生4.3 keV X射线。背光X射线通过锥的轴线通过靶丸的一半,离开黑体辐射腔上的高密度碳窗口,再通过一个12μm宽的狭缝,最后记录在12倍放大率的GXD上,GXD随着靶丸的内爆四次记录图像。通过这个过程,靶丸内光学深度(是不透明度)的调制可以得到测量。

  

  1.a)实验布局图(b)舱内结构图(c)激光脉冲

  这个设置已经使用在过去的HGR实验中但是这是第一个包含DT冰层的实验。图1(b)展示了初始条件的X光照片,可以在图中看到这个冰层。我们在这儿展示的实验中在冰和烧蚀体之间的界面上具有正弦波纹。这个实验设计基于国家点火试验上的“小尺寸激光脉冲和靶丸,不过按比例缩小了0.8倍以减少激光能量(和设施成本),但在流体动力学上是相一致的。图1(c)所示的激光脉冲能量为0.9 MJ,峰值功率230为太瓦。靶丸的外半径是909μm,以及155μm厚的塑料(CH)烧蚀体和一个55μm厚的DT冰层。烧蚀体包含高达2.3%的分级硅掺杂物来阻止高能X射线预热。

  在燃料和烧蚀体界面间的不稳定增长来源于交界处的本地微扰或者来源于烧蚀体前表面的微扰。在燃料和烧蚀体交界面的扰动每四个冲击波经历经典RM不稳定性增长,包括线性增长率,其中是冲击交界处速度跳跃。在10.5ns时从第一个冲击波界面开始,扰动压缩、反转相位,然后振幅增大。交界面的预热和加速会导致经典RT不稳定性增长率其中。球面几何和径向速度可以通过Bell-Plesset (BP)效应放大界面振幅,包括形式增长率,其中并且。界面扰动最初存在或出现于烧蚀前端痕迹和导孔,这些效应正是作用于此处的界面扰动。

  这两种产生界面扰动的方法(烧蚀体前端痕迹或初始界面种子扰动) 在本文中都分别进行了实验。第一种方法是在烧蚀体之外使用并排模式60/90的扰动。这种扰动是用于两个靶丸的压缩,即一个DT分层靶丸和一个用等效质量10μm烧蚀体材料取代DT的靶丸。在第二个分层实验中,扰动直接加工在内部烧蚀体表面上,介于DT冰和CH塑料之间。这种扰动是通过利用激光烧蚀这项新技术来产生的。先将Au锥孔切成靶丸,然后用一束紫外激光消除个别点来创建一个正弦模式60的模型。这种技术也可消除尺寸类似于激光点大小的高阶模式特征(模式500)

  2.外表面扰动以及交界面扰动结果图

     外表面扰动实验结果如图2(a)所示。通过消除背景信号来处理传输信号,通过背光轮廓来分立传输信号,并将信号转化为光学深度。通过检测不同时间的收敛中心将数据宽度转换成围绕靶丸的角度。数据还表明,模式60的增长比模式90的增长大了23倍。正如之前的实验表明,这是由于更高的模式有更好的烧蚀稳定性,并且由于冲击波相位振动会造成模式90接近零增长节点 (对这个靶丸和激光脉冲预测会发生在模式110)。数据还表明,对称靶丸(虚线)和分层靶丸(固体) 之间的振幅在较早的时候很类似,但随着时间的推移对称靶丸的振幅似乎会越来越大。实验中的单模振幅如图2(b)所示,并与二维模拟比较,我们发现仿真模拟与实验数据吻合得很好。

  界面扰动的实验结果如图2(a)所示。图的底部展示了2.2μm振幅,模式60的扰动。在数据中,可以观察到在最早和最晚时间之间幅度增长较缓和。来自中心三个波的正弦振幅如图2(b)所示。使用前面讨论的RTRT+BP理论进行分析估算添加到图2(b)(振幅按任意比例缩小来比较增长率和数据)。振幅的增长速度大于经典RT不稳定性的预测。包含在RT+BP模型中的收敛效应与更早时间的数据吻合的很好。在单模计算中,初始条件用模式100的低通滤波器进行了过滤,保留下占主导的模式的振幅,但忽略了高次模的成分。在这个情况下,模拟与更早时间的数据吻合但过度预测了后期数据的增长率。在多模计算中,所有初始条件信息都保留下来,模拟采用模式100的分辨率运行。来自激光烧蚀过程的高阶结构用于创建微扰,高阶结构生长迅速并饱和,在后期耦合到低阶模式并且减小观察到的振幅。实验与模拟结果的一致性意味着意想不到的微扰种子源是早期NIF实验混淆的主要原因。

摘译自:Weber C R, Döppner T, Casey D T, et al. First Measurements of Fuel-Ablator Interface Instability Growth in Inertial Confinement Fusion Implosions on the National Ignition Facility. Physical Review Letters, 2016, 117(7): 075002

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