直接驱动惯性约束聚变静态及动态辐照均匀性研究

Most large laser facilities in the world are mainly designed for indirect drive (ID) inertial confinement fusion (ICF), and direct drive (DD) scheme is used as an alternative. Researches indicate that shock ignition is more likely to be realized through DD approach. In hybrid-drive ignition scheme, DD is needed to provide high pressure and implosion velocity. Therefore, DD scheme has induced more favorable reconsideration. At present, Shenguang series laser facilities are mainly designed for ID fusion. Since the energy outputs of these ID laser facilities are limited, if they could be used for DD ICF, then we can make full use of their energy outputs and carry out DD experiments on these facilities and study relevant physics problems. To employ ID configurations for DD fusion, it is important to achieve high irradiation uniformity of the target surface. This project aims to realize high DD irradiation uniformity with ID laser facilities. The distribution of laser intensity arriving to the initial surface of the target and laser energy deposition dynamic uniformity will both be studied with theoretical analyses and numerical simulations. In addition, effects of different geometrical structures on irradiation uniformity will also be studied. It is expected that our project would provide guidance on how to carry out DD shock ignition and hybrid-drive ignition experiments with current ID laser facilities.

目前，国际上主要的激光聚变装置均以间接驱动方式为主，将直接驱动作为备用方案。研究表明冲击点火方案所需的高强度冲击波更适合采用直接驱动方式产生；此外，在最近提出的间接-直接混合驱动点火方案中，需要采用直接驱动来增加驱动压和内爆速度。因此，直接驱动重新引起关注。由于种种原因，目前国内的神光系列激光装置的设计与排布均优先考虑间接驱动模式。如果能够将现有激光装置用于直接驱动，将能够充分利用其激光输出能力来研究直接驱动相关的基础物理问题。基于间接驱动装置开展直接驱动研究，辐照均匀性是首先面临的问题。本项目立足于现有的神光系列激光装置，拟从静态和动态两方面对靶球表面的辐照均匀性进行细致研究。通过理论分析和数值模拟，理解辐照均匀性随时间的变化规律，理解不同几何结构对辐照均匀性的影响，获得能够实现较高程度均匀辐照所需的激光束调整方式及激光束光强分布，为开展直接驱动冲击点火、混合驱动点火等实验提供参考。

本项目研究了基于现有间接驱动激光装置开展直接驱动研究的可行性。基于间接驱动装置开展直接驱动研究，辐照均匀性是首先面临的问题。通过理论分析和数值模拟，研究了不同几何靶构型表面的直接驱动辐照均匀性问题。首先发展完善了数值模拟程序，能够对一般性的激光束焦斑光强分布和姿态调整方式进行描述，通过引入智能优化算法，大大扩展了优化参数空间和计算效率。基于现有激光装置，对球形靶表面的辐照均匀性进行了优化设计，通过优化激光束调整方式及激光束光强分布，成功将靶球表面的光强分布均方根偏差降低到1%以下，满足直接驱动的要求。利用不同模型分析了入射角度对辐照均匀性的影响，结果表明优化方法仍然有效。进一步结合辐射流体力学程序，通过解程函方程获得激光光学轨迹，研究了辐照均匀性随时间的变化过程，发现动态辐照均匀性有所降低，并提出了解决方案。利用建立的模型，对大型激光装置上开展的实验结果进行了分析，成功解释了实验得到的数据。在研究球形靶表面辐照均匀性基础上，进一步研究了柱形靶表面的均匀辐照问题，建立模型进行了优化设计，获得了优化的激光器调整参数和激光束光强分布，为在大型激光装置开展柱几何不稳定性发展、极端条件下材料特性等研究提供了理论参考。