ICF内爆减速阶段流体力学不稳定性新致稳机制研究

In inertial confinement fusion (ICF), hydrodynamic instability during the implosion process is one of the key obstacles to reach ignition. U.S. scientists have achieved that fuel gain exceeds unity on the National Ignition Facility, where high-foot high-adiabat ICF implosions are adopted to suppress hydrodynamic instability. However, the high-adiabat implosions would greatly increase the laser energy required for achieving ignition, and new physical mechanisms are urgently needed to control the growth of hydrodynamic instability so as to mitigate the fuel adiabat and reduce the requirement for laser energy. Therefore, this project is intended to investigate new stabilization mechanisms for the deceleration-phase hydrodynamic instability at the hot-spot-main-fuel interface in indirect drive, including ①suppressing the shock reflections at the hot-spot-main-fuel interface and ② self-heating effects of the thermonuclear alpha particles. In this project, we will study the roles of these two mechanisms in depth for stabilizing the deceleration-phase hydrodynamic instability and improving the capsule implosion perfermance; study the sensitivities of the stabilization effects to factors such as fuel adiabat, etc.; and study the actuall effectiveness of the stabilization mechanisms via large-scale simulations of multi-scale/multi-mode hydrodynamic instability prolems in indirect drive implosions. Thus providing new technical approaches and physical understandings for the target designs of indirect drive.

惯性约束聚变（ICF）中，内爆流体力学不稳定性是阻碍聚变点火的关键因素；美国科学家在其国家点火装置上采用高脚驱动、高熵内爆的方式来控制流体力学不稳定性增长，实现了燃料增益大于1；然而，高熵内爆会大幅度增加聚变点火所需激光能量，因此迫切需要新的物理机制进一步控制ICF内爆过程的流体力学不稳定性增长，缓解熵增、降低激光能量需求。据此，本项目拟针对间接驱动，研究内爆减速阶段、热斑与DT主燃料界面处流体力学不稳定性的新致稳机制，涉及①抑制热斑/DT主燃料界面冲击波反弹和②热斑alpha粒子加热两种致稳机制。本项目将深入研究这两种机制对于致稳减速阶段流体力学不稳定性和改善靶丸内爆性能所发挥的作用；研究燃料熵增等因素对不稳定性致稳作用的影响；并通过接近真实内爆多尺度流体不稳定性问题的大规模模拟，研究不稳定性致稳机制的实际有效性。从而为间接驱动改进靶设计提供新的技术途径和物理支持。

惯性约束聚变（ICF）中，内爆流体力学不稳定性是阻碍聚变点火的关键因素。尽管高熵内爆可以控制流体力学不稳定性增长，但是需要大幅度增加聚变点火所需激光能量，因此迫切需要新的物理机制进一步控制ICF内爆过程的流体力学不稳定性增长，缓解熵增、降低激光能量需求。本项目旨在针对间接驱动研究内爆减速阶段、热斑与DT主燃料界面处流体力学不稳定性的新致稳机制。通过本项的研究，我们获得如下重要进展：1）通过理论定标率研究激光间接驱动的参数空间，发现当驱动辐射温度升高、靶丸飞行熵增因子增大或靶丸烧蚀材料性能提高时，内爆的不稳定性显著降低；2）针对间接驱动主脉冲波形，提出了尖峰脉冲设计的新思想，当采用尖峰脉冲波形设计时，减速阶段热斑与DT主燃料界面处流体力学不稳定性得到显著改善，同时燃烧的熵增被控制在中等水平，从而降低激光能量需求；3）通过对尖峰脉冲设计的深入研究，我们还发现尖峰脉冲设计可以提高中心热斑离子温度与电子温度非平衡性，显著扩大聚变点火区在热斑面密度和热斑温度空间的范围；基于NIF实验结果，我们还可以推断离子与电子非平衡在NIF内爆实验中是普遍存在的；4）研究发现在连续密度分布界面上，瑞利-泰勒不稳定性存在多个本征模态，随着模态数升高对应波数的线性增长率逐渐减小，这意味着如果能够将第一模态扰动转化为高阶模态，不稳定性增长有望得到更为显著的控制；5）针对驱动不对称性引起的低阶扰动模，发展了一个简化的理论模型，理论研究结果表明热斑半径不对称性和壳层速度不对称性对内爆性能的影响比壳层面密度不对称性的影响更为显著，理论研究还表明当热斑半径不对称性与壳层速度不对称性的幅度满足一定关系时，两者的不利作用可以相互抵消。上述研究可以为间接驱动靶设计的改进提供新的研究思路，比如在国产激光装置上开展的尖峰脉冲验证实验表明，在相同激光能量和靶丸参数条件下，尖峰脉冲设计获得的聚变产额显著高于平顶脉冲设计。