惯性约束聚变内爆过程中块状混合物原子化过程研究

Implosion mixing is one of the key questions in the research of inertial confinement fusion (ICF).The morphological characteristic of mixed materials is a main concern in the study of implosion mixing. Chunk or atomic mixed material has different effects on the implosion performance, and should be treated differently for the theoretical modeling. The subject of chunk-to-atomic mixing is rarely involved due to the complexity in the simulation and the great challenges in the experimental design and diagnostics. This proposal is contributed to the subject of chunk-to-atomic mixing by investigating the correlations between the initial conditions of pre-located chunk material and the degree of atomization in the final stagnation stage by combining a novel experimental design and an analytical consideration. More specifically, by using the capsule with pre-located chunk material on the gas-shell interface, the transition of chunk-to-atomic mixing is decoupled from the generation of chunk material during the capsule implosion to simplify the physical vision; by using the yield of 14MeV proton produced by the nuclear reaction between 3He gas and atomized deuterium ions resulting from the initially deuterated chunk material, it makes sure that the atomization of chunk material has the determined effects on the experimental observations; By employing a method including scenario description, individual process evaluation, and quasi-quantitative prediction when dealing with the problems of coupling processes, the depth of the understanding can be gradually improved.

内爆混合是惯性约束聚变（ICF）研究的关键问题之一。混合形态是内爆混合研究的主要内容。不同混合形态，对内爆性能而言有不同的混合效应，物理建模上需要采用不同的描述方法。目前，ICF领域关于混合形态演化的研究工作报道很少，直接进行数值模拟研究比较困难，实验研究对实验设计、诊断方法也提出了很大挑战。本项目利用实验上的巧妙设计结合解析评估，认识内爆过程中块状混合物原子化程度对初始条件的依赖关系。具体来说，通过预置颗粒的办法将块状混合物的形成过程与块状混合物的演化过程解耦研究，以达到简化问题的目的；利用预置氘化物与3He发生核反应的14MeV质子产额来指示块状混合物原子化程度，从而突出所研究的物理过程对实验结果的决定作用；面对复杂问题时，方法论上采用描绘物理图像、明确关键过程、进行理论粗估的技术路线，层次渐进，以达到加深理解、实现半定量预测的目的。

流体力学不稳定性导致的混合是惯性约束聚变（ICF）研究的关键问题之一。流体力学不稳定性发展会产生不同尺度的混合物。对我们关心的内爆性能而言，不同尺度的混合物会产生不同的混合效应。然而，由于流体力学不稳定性导致的多尺度混合问题具有多物理过程耦合、跨尺度等特点，给物理建模、数值模拟和实验观测等方面带来了极大挑战，国际上开展的研究工作非常少。本项目没有去研究流体力学不稳定性发展过程中混合物尺度演化的规律，而是提出一种新的实验方法，用预置不同尺度颗粒的方法来模拟流体力学不稳定性发展产生的不同尺度混合物，通过对比实验研究了内爆过程中极端(~Gbar、~keV)、瞬态（~100ps）条件下，不同大小颗粒原子化过程，以及不同大小颗粒对内爆性能的影响。实验采用氘代泡沫球不掺颗粒、掺微米颗粒、掺纳米颗粒（原子混合）三种靶型，通过多种手段（ICP、SEM、EDX等）对初始靶参数进行表征，以确保实验初始靶参数重复可控。实验观测到中子产额、芯部自发光大小、强度和光谱等实验数据。实验数据重复可靠，体现出不同尺度混合物对内爆性能的不同影响。采用一维辐射流体模拟，结合半定量评估的方法，获得了聚变反应持续时间段内颗粒状态演化的物理图像，认识到冲击波作用、压力平衡、温度平衡、光学厚度变化、电子热传导等过程对颗粒混合效应的重要影响。本项目研究工作，加深了对不同尺度混合物产生不同混合效应这一问题的认识，为发展多尺度混合数值模拟能力奠定了重要基础。