基于电子冲击点火的超热电子烧蚀特性研究

Electron shock ignition (ESI) is an alternative ignition approach in inertial confinement fusion. The main advantages are strong ignitor shock, small ignitor energy, high gain, and good robustness. In this work, the hot electron ablation properties within ESI are studied, including the hot electron ablation pressure and double ablation front structure, which is formed by the hot electron ablation front and laser ablation front. Hydro code will be utilized to calculate the hot electron ablation pressure and double ablation front structure characteristics within ESI, as well as the relationship between the hot electron ablation properties and the hot electron temperature, energy, and laser intensity. Experiments with planar targets will be conducted in high energy laser facilities within ESI relevant laser intensities. The hot electron ablation pressure and density profile in the target will be measured, to investigate the hot electron ablation properties. The relationship between the hot electron ablation properties and the hot electron temperature, energy, and laser intensity will also be studied experimentally. This work could help understanding the hot electron ablation physics within the ESI relevant laser intensities, and the experimental scaling laws of the hot electron temperature, energy, and laser intensity dependent hot electron ablation characteristics could be achieved.

电子冲击点火是近期提出的一种惯性约束聚变点火方式，其特点是点火冲击波强度大、所需激光能量小、增益高、皮实性好。本项目拟研究基于电子冲击点火的超热电子烧蚀特性，包括烧蚀压强特性和超热电子烧蚀与激光烧蚀共存而形成的双烧蚀特性。理论方面，用流体力学程序模拟电子冲击点火方式下，超热电子的烧蚀压强特性和双烧蚀结构特性与超热电子温度、能量、激光功率密度之间的物理规律。实验方面，在大型激光装置上，开展电子冲击点火条件下的平面靶实验研究，测量超热电子的烧蚀压强及平面靶样品中密度轮廓分布，研究超热电子烧蚀压强特性和双烧蚀结构特性。改变激光功率密度，研究超热电子烧蚀压强特性与双烧蚀结构特性与不同超热电子温度、能量、激光功率之间的物理规律。本项目不仅能够加深对电子冲击点火条件下，超热电子烧蚀特性的理解，而且还能获得超热电子烧蚀压强特性和双烧蚀结构特性与超热电子温度、能量、激光功率密度之间的实验定标率。

本项目于国际上首次提出电子冲击点火概念。理论上，结合OMEGA装置上已有实验数据，深入分析了超热电子在高面密度材料中的能量沉积特性及烧蚀压性质，研究了超热电子对冲击点火壳层和热斑动力学的影响。实验上，在神光Ⅲ原型激光装置上，进行了冲击点火强度条件下激光产生超热电子分解实验，研究了其温度、转化效率等特性，及其与激光和靶参数的物理规律。. 该项工作创新性地采用超热电子驱动冲击点火初级压缩靶丸，采用Solodov-Betti超热电子能量沉积模型深入探讨了超热电子烧蚀特性，充分研究了超热电子能量沉积和壳层结构之间的物理规律。（2）该新型点火方式通过巧妙设计超热电子的加载时间，避免传统超热电子的预热效应（降低内爆性能），利用超热电子在高面密度壳层中的强冲击波效应（约为激光驱动冲击波强度的20倍），“变废为宝”驱动内爆，形成高温高密度热斑及高面密度燃料层。（3）该新型点火方式增益高（~130），传统直接和间接驱动增益<10；皮实性好（YOCnoα>0.5即可），传统直接驱动要求YOCnoα>0.8（所需YOCnoα值越大意味着扰动值越小皮实性越差）。. 该项研究为解决点火过程中“增益低、靶丸易破碎”这一难题提供了可行的途径，为惯性约束聚变、新能源的探索研究与应用带来了新的技术机遇。同时开辟了一个全新的研究领域，包括较强激光功率密度下（1016W/cm2）激光等离子体相互作用和超热电子特性、超热电子（几十keV量级）在较高面密度材料中的能量沉积特性、超热电子与激光共同驱动靶丸内爆动力学等研究方向。