惯性约束聚变

摘要： 【本刊2022年3月综合报道】2022年1月26日,《自然》杂志报道了美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)国家点火装置(NIF)研究团队的最新研究成果。该团队通过国家点火装置成功获得“燃烧等离子体”,并产生了创纪录的1.35兆焦能量,相比2020年的最高能量提高了24倍,接近了“点火”所需的1.9兆焦能量,向成功“点火”迈进了一大步。国家点火装置是美国核武器库存管理计划的重要组成部分,其主要作用是利用惯性约束聚变创造出极高温与高压条件。

摘要： 借鉴计算机层析成像方法,通过多角度成像的方式得到氘氚燃烧区三维分布信息。介绍了球谐函数分解、最大期望代数迭代两种具有代表性的极少角度三维图像重建算法,并提出将球谐函数分解重建结果作为最大期望代数迭代初始值的重建约束方法。该方法利用了激光、Z箍缩聚变靶具有一定球对称性的物理先验,既改善了球谐函数在极少角度投影重建表示能力不足、残影较大的缺点,又利用了最大期望算法局部最优的特点,可以将重建结果限制在物理似然域中,从而在一定程度上克服了极少角度投影三维重建解空间过大的问题。利用峰值信噪比、均方根误差、KL偏差等三种指标对重建结果进行了量化评价,结果表明球谐函数初值约束的最大期望代数迭代算法效果最好。

摘要： 在激光驱动惯性约束核聚变研究中,具有宽带、低相干特性的时间低相干光源将有望降低激光与等离子体相互作用的不稳定性,成为新一代激光驱动装置的有力竞争者。实现高功率低相干光放大输出是低相干光驱动器能否应用于惯性约束聚变领域的核心。光参量放大具有大带宽、高增益、无热效应等优势,可避免能级型放大介质的光谱窄化问题,是实现宽带低相干光放大的有效方案。系统阐述了宽带时间低相干光参量放大技术的原理和技术特性,并基于实验验证了采用非共线相位匹配的近红外波段宽带时间低相干光级联参量放大过程,最终实现7×10^(7)的放大增益和13.19%的转换效率。

摘要： 在神光Ⅲ原型装置上,利用8束三倍频(351.0 nm)激光注入充气黑腔产生大尺度高温等离子体并激发高水平受激布里渊散射(SBS)过程。利用1束四倍频(263.3 nm)探针束和1套广角汤姆逊散射诊断系统,获得了三倍频激光SBS过程驱动的离子声波的超热相干汤姆逊散射(STS)光谱。通过对STS光谱和背向SBS光谱进行联合分析,揭示了SBS的时空演化过程。

摘要： 激光驱动惯性约束聚变(ICF)研究是当前国际前沿科学中一个具有挑战性的研究领域,它以高能激光作为驱动源,在极短的时间内将大量能量注入靶丸中使聚变材料达到高温高密度的状态从而在靶丸中心形成热斑并引燃整个燃料层,最终实现可控核聚变。由于内爆热斑直径为50~100μm,其持续时间为100~200 ps,离子温度达到5 keV,压力可达4.0×10^(16) Pa。因此,发展极端瞬态条件下的诊断技术具有重要意义。介绍了两种基于压缩感知技术的诊断方法,第一种是基于数字微镜阵列(DMD)进行编码的反射式可见光压缩感知技术,这种技术将现有的一维任意反射面速度干涉仪(VISAR)与压缩超快成像(CUP)系统相结合,有望实现一种全新的具有高时间分辨的二维VISAR诊断技术,将诊断维度从一维扩展至二维,同时它克服了现有的二维VISAR单幅成像的缺点,有望实现对内爆压缩过程流体力学不稳定性演化过程的连续诊断。由于基于DMD进行编码的反射式可见光压缩感知技术只能用于可见光波段,无法用于紫外与X光波段,为此还发展了一种透射式压缩感知技术。这种透射式压缩感知技术采用一种新颖的透射式元件实现对待测信号的编码,可以实现对紫外和X光波段信号的二维超快探测,有望实现对内爆热斑超快时空演化过程进行精密诊断。此外,针对单通道CUP技术的高时间分辨的优势和低空间分辨的不足,还提出了多通道编码、分别扫描、解码、再合成的全新的高时空分辨诊断系统基本思路,有望实现高时间分辨的同时,实现高空间分辨的二维新型诊断技术。

摘要： 美国国家点火装置(NIF)自2010年投入使用以来,已经进行了约1030发次的惯性约束聚变研究实验.在经历了最初7年多的艰难探索之后,自2017年以来,激光聚变反应输出能量接连突破55 kJ和170 kJ,特别是在2021年8月的实验中, NIF研究团队获得了1.35MJ聚变输出能量的结果,已经接近实现靶点火(target ignition)的门槛. NIF实验数据具有极高的分析价值,近些年来NIF研究团队已经将这些数据用于进一步实验的优化设计、预测产额、矫正模拟等目的.由于NIF实验数据库中大量数据未被公开,我国科研工作者只能从少量已公开数据中了解其实验历程,无法深入分析各阶段NIF实验及各时间节点NIF团队对下一阶段实验设计思路的来源.本文根据NIF实验数据的特点,采用预测平均匹配方法和信赖域方法对NIF实验缺失数据进行了数据还原研究,并且对还原数据进行了可靠性验证.利用还原数据,本文分析了过去十年间不同阶段NIF实验的不同侧重点以及设计思路,并且利用机器学习方法预测了未来NIF实验中的热斑压强.这些结果为我国科研工作者持续跟进并深入理解最新NIF实验结果提供了一种可行的方法,也可以对我国激光聚变点火实验的设计起到借鉴作用.

摘要： 通过分析虚像连续性和位置分辨,指出点集散判据相比相位差判据更适合用于广角任意反射面速度干涉仪(VISAR)靶虚像模型构建。基于点集散判据计算了椭球镜形状参数、像面记录方式、冲击波面倾斜对广角VISAR靶虚像的影响,发现虚像外内径之比总保持在8左右,且10^(-5)(k-400)惯性约束聚变内爆对称性诊断具有重要意义。

摘要： 本文总结了当前实现可控核聚变的各种途径。激光惯性约束核聚变具有驱动器和反应器分离,结构简单,易于控制的优势,可望用于火箭推进。本文设想了激光聚变推进器的主要构造,聚变靶丸的形状及构成,概括了其中的工程技术难点,并展望了人类利用月球聚变材料探索深空的远大前景。

摘要： 发展精密X射线诊断技术对于惯性约束聚变(ICF)物理过程的研究具有重要意义。本文对同济大学精密光学工程技术研究所在高性能多层膜掠入射X射线光学方面的最新进展进行了较全面的介绍。针对ICF高时空分辨、能谱分辨和高集光效率诊断需求,从多通道掠入射X射线成像技术、多层膜掠入射X射线成像技术及应用效果几个方面,对目前研究进展进行了系统介绍。在多通道掠入射X射线成像方面主要介绍高分辨多通道KB成像系统及其高精度在线装调技术。在实现空间分辨优于5μm、十六通道成像的基础上,采用“物-诊断物镜-像”的高复位精度集成指示技术,有效保障了多通道KB系统的装置应用效果。在多层膜掠入射X射线成像方面,本文主要介绍多层膜分光器件的能谱调控和制备技术以及系统的精密瞄准技术。目前,多套基于多层膜阵列器件的多能谱X射线诊断设备已在激光装置上得到广泛应用,空间分辨率在3~5μm,诊断能点达到4个,技术指标显著优于国外同类器件,为国内ICF诊断提供了有力支撑。

摘要： 提出在条纹相机前加载异形光纤面板或环转线光纤传像束实现广角任意反射面速度干涉仪(VISAR)条纹采样的诊断设计,发现采样位置坐标处于靶面某圆上。综合运用坐标变换、傅里叶变换、勒让德展开等方法提取广角VISAR条纹相位实现内爆对称性分析,并通过示例验证了其可行性。针对诊断方法的特点、光路设计、装置研发、数据处理等展开讨论,指出广角VISAR诊断内爆对称性的发展方向。运用该方法记录并分析广角VISAR条纹数据,可使靶丸内爆对称性诊断准确、直观、形象,能为惯性约束聚变中激光等离子体不稳定性、流体不稳定性等研究提供支撑。

摘要： 惯性约束聚变冷冻靶系统中,为成功实现靶丸点火,冰层厚度均匀性需达到99％,表面粗糙度的均方根要小于1μm.控制靶丸表面最大温差小于0.1mK能满足以上点火要求.为研究辐射对惯性约束聚变间接驱动靶丸的温度场影响,建立了三维对称球腔冷冻靶系统的计算模型.考虑球腔内部激光入射口封口膜吸收率以及外部辐射温度对球腔内部温度场分布的影响,利用FLUENT软件对球腔冷冻靶温度场进行了数值模拟计算.研究表明:球腔由于自身具有的球对称几何结构,其内部的温度场分布更加均匀;受外界辐射影响,有窗侧靶丸表面温度较无窗侧温度高;辐射温度越高,靶丸表面的绝对温度越高,虽然靶丸表面的温差变化基本可忽略,但要防止由于外界辐射温度过高而导致的DT冰层均匀性恶化,应选用多层屏蔽罩结构降低辐射的影响;激光入射口封口膜吸收率大于0.2时,靶丸表面温差显著增大.

摘要： 氘代聚合物空心微球是惯性约束聚变快点火物理研究中亟需的一类靶丸.本文总结近年来国内外快点火物理实验中使用的氘代聚合物空心微球种类,介绍快点火物理实验对氘代聚合物空心微球质量的严苛要求和各类氘代聚合物空心微球的制备方法,重点阐述氘代聚合物空心微球质量的影响因素和研制进展,并指出氘代聚合物空心微球研制的发展方向.

摘要： 采用脉冲天线对惯性约束聚变激光靶耦合过程中产生的电磁脉冲信号进行采集.本文列举了相同条件下,纳秒激光与几种靶相互作用激发的电磁脉冲信号,对比分析靶型对电磁脉冲信号的影响.得出靶的对称性设计有助于抵消靶室内的电磁干扰.并且,通过测量靶室内与靶室中心不同距离区域的电磁脉冲信号,总结出电磁脉冲在靶室内传播规律.由于靶室内回波振荡的作用,随着远离靶室中心,脉冲幅值先减小,后增大.且随着距离增大,越靠近靶室内壁区域受到回波振荡的影响越大,进而导致电磁脉冲持续时长增大.通过回波振荡论证测试与屏蔽实验,得出回波振荡在靶室内电磁脉冲信号中占有较大比重.诊断设备的安放应尽量避免靶室中心与靠近靶室内壁区域.

摘要： 惯性约束聚变(ICF)是实现受控热核聚变极有希望的途径之一,其研究工作的开展,无论对国民经济、军事应用,还是对基础学科探索都有着重要而特殊的意义.目前ICF实验使用的氘氚(DT)冷冻靶要求DT冰均匀分布在靶球的内表面,冰层内表面粗糙度优于1μm.要获得满足聚变实验要求的DT冷冻靶,需要控制DT冰结晶过程,实现DT单晶生长,由此减少晶体在生长过程中形成的缺陷,为后续的DT冰均匀化过程,提供高品质的DT冰.

摘要： 惯性约束聚变(ICF)物理实验中的常规塑料微球气体靶丸,普遍采用了聚乙烯醇(PVA)作为氘氚气体阻气层材料.在塑料微球充氘氚燃料气实验及氘氚燃料靶的测量、保存、运输、打靶过程中,氚衰变辐照将会导致PVA材料微观结构与宏观性能发生较大变化,对氘氚塑料靶从充气到打靶整个实验过程均造成不同程度的不利影响.针对这些不利影响采取相应质量控制和辐射安全防护措施,需要开展系统性的PVA材料氚衰变辐照效应研究,探索其辐照损伤机理并掌握其影响规律.目前国内只有极少地采用电子束模拟氚衰变β射线与PVA材料相互作用的研究报道,还没有比较全面系统性的氚直接与PVA材料相互作用的实验研究,国外的氚直接与PVA材料的辐照效应研究也很少见诸报道.

摘要： 二维三温能量方程的求解是惯性约束聚变(ICF)的核心问题,高效并行的计算方法将能更快的推进ICF问题的研究.本文在现有的基于MPI消息编程模型的二维三温能量方程离散求解的并行算法的基础上,通过使用集群通信函数等MPI优化技术,改进现有的并行算法,并在此基础上提出了基于MPI+OpenMP混合编程模型的并行算法,取得了更好的加速比.

摘要： 对于大型激光驱动器的安全运行维护而言,实时安全管理和预先安全管理是两种非常重要的安全管理模式,本文从实际遇到的问题出发,提出了利用数字化技术实现大实时三维安全管理应用方案;同时,将数字化技术引入作业前安全分析和在建实验室安全规划评估中,数字化技术的应用有效提高了作业效率,最大化消除了全流程存在的安全隐患.

摘要： 对于大型激光驱动器的安全运行维护而言,实时安全管理和预先安全管理是两种非常重要的安全管理模式,本文从实际遇到的问题出发,提出了利用数字化技术实现大实时三维安全管理应用方案;同时,将数字化技术引入作业前安全分析和在建实验室安全规划评估中,数字化技术的应用有效提高了作业效率,最大化消除了全流程存在的安全隐患.

摘要： 对于大型激光驱动器的安全运行维护而言,实时安全管理和预先安全管理是两种非常重要的安全管理模式,本文从实际遇到的问题出发,提出了利用数字化技术实现大实时三维安全管理应用方案;同时,将数字化技术引入作业前安全分析和在建实验室安全规划评估中,数字化技术的应用有效提高了作业效率,最大化消除了全流程存在的安全隐患.

摘要： 对于大型激光驱动器的安全运行维护而言,实时安全管理和预先安全管理是两种非常重要的安全管理模式,本文从实际遇到的问题出发,提出了利用数字化技术实现大实时三维安全管理应用方案;同时,将数字化技术引入作业前安全分析和在建实验室安全规划评估中,数字化技术的应用有效提高了作业效率,最大化消除了全流程存在的安全隐患.

摘要： 本发明涉及一种内离子源惯性静电约束聚变装置，包括阳极、阴极、与阴极连接的高压引入支撑杆、内离子源、真空系统、高压系统，其中，所述内离子源的阳极电位低于惯性静电约束聚变装置的阳极电位；所述阴极为网状球形经纬圈结构，经圈和纬圈内具有冷却通道；在惯性静电约束聚变装置内设有离子运动轨迹微扰器，用于微扰改变离子运动的角动量。本发明采用内离子源技术可以长期约束离子在装置内的往返运动，采用离子运动轨迹微扰器可以避免离子返回离子源导致的离子损失，采用高真空环境可以避免由电离导致的离子损失和高压电源损耗。该装置由于可以长时间注入累积离子，因而可以提高中子产额和盈亏比。

摘要： 本发明公开了磁化等离子体聚变点火装置及惯性磁约束聚变方法。包括反场构形的形成及加速传输系统、碰撞融合、及内爆压缩系统。形成及加速传输系统对称分布在两侧；碰撞融合系统位于中间，包括金属套筒、外侧套设的线圈以及在两端的磁镜线圈；内爆压缩系统包括金属套筒及电极，在电极连接有脉冲驱动功率源电容器组。本发明所惯性磁约束聚变方法包括通过反场theta箍缩放电技术形成初始的反场构形并使其发生对头相碰，在空间融合成高温高密的磁化等离子体团，密度和温度比碰撞前的单个反场构形等离子体团高，外接的脉冲驱动电源放电驱动固体套筒内爆对高温磁化等离子体靶进行准绝热压缩，使等离子体团的温度和密度升高达至聚变点火条件。

摘要： 本发明涉及一种内离子源惯性静电约束聚变装置，包括阳极、阴极、与阴极连接的高压引入支撑杆、内离子源、真空系统、高压系统，其中，所述内离子源的阳极电位低于惯性静电约束聚变装置的阳极电位；所述阴极为网状球形经纬圈结构，经圈和纬圈内具有冷却通道；在惯性静电约束聚变装置内设有离子运动轨迹微扰器，用于微扰改变离子运动的角动量。本发明采用内离子源技术可以长期约束离子在装置内的往返运动，采用离子运动轨迹微扰器可以避免离子返回离子源导致的离子损失，采用高真空环境可以避免由电离导致的离子损失和高压电源损耗。该装置由于可以长时间注入累积离子，因而可以提高中子产额和盈亏比。

摘要： 本发明公开了一种激光惯性约束聚变热斑高空间分辨探测系统及方法，其中系统包括竖直设置且反射面正对的平响应球面物镜Ⅰ和平响应球面物镜Ⅱ、水平设置且反射面竖直朝上的复合平响应球面物镜Ⅲ、水平设置且反射面竖直朝上平响应选能平面镜Ⅰ和平响应选能平面镜Ⅱ、成像板和激光磷屏分析仪。计算方法主要以读取数据并根据轫致辐射原理，直接通过单能像的强度比以获得电子温度和密度。主要通过双KB镜通道系统消除视场差异的影响，并利用通道及平面镜的平响应，确保反射率一致，根据轫致辐射原理进行电子温度和密度的绝对值计算，计算过程更简单，结果更可靠，并能求解绝对的热斑电子密度值，具有广阔且重要的应用前景。

摘要： 本发明涉及一种惯性约束聚变装置中基于光束动态干涉图样的快速光束匀滑方法。该方法是在激光驱动惯性约束聚变装置激光集束中，将集束分为两两组合的子光束对，每一子光束对均经过相同的连续相位板和偏振控制板，但其工作波长不同且分别插入一对共轭或互补位相板，通过每一对子光束间在远场的动态干涉图样来实现对激光光束远场焦斑的快速匀滑，从而在较短的积分时间内提高焦斑的均匀性。

摘要： 一种激光惯性约束聚变直接驱动高功率激光器的连续动态聚焦装置和方法。该装置由透镜状电光晶体、电压源和两片平行金属电极构成。本发明利用能承受高功率密度的电光晶体来实现在高功率激光系统终端的连续动态聚焦，避免了现有连续动态聚焦方案对激光在高功率激光系统中的传输、放大以及频率转换过程造成的影响，为实现高功率激光装置的连续动态聚焦提供了一种新的方案。

摘要： 本发明提出了一种用于惯性约束聚变自动换靶的安装装置，属于实验设备领域。解决了现有惯性约束聚变实验时不同的靶难以准确、快速安装的问题。它包括配合相连的靶座和靶夹持器，所述靶座包括定位套、钢珠、弹簧和调整螺钉，所述定位套轴线上设置有连接定位面，所述定位套沿径向均布有多个螺纹孔，所述螺纹孔贯穿至连接定位面，所述钢珠装入螺纹孔内，所述调整螺钉与螺纹孔螺接，所述弹簧设置在钢珠与调整螺钉之间，通过弹簧将钢珠压紧，所述靶夹持器包括锁紧螺母和靶杆。它主要用于惯性约束聚变的自动换靶。

摘要： 本发明提出了一种用于惯性约束聚变的可容纳多发靶的靶库，属于实验设备领域。解决了现有惯性约束聚变的打靶实验只能装入一发靶，每次换靶均会破坏真空环形，导致实验效率低的问题。它包括夹爪、弹簧和靶库本体，所述靶库本体沿径向均布有多个装靶工位，所述夹爪与靶库本体摆动相连，所述夹爪位于装靶工位内，所述弹簧的两端分别固定在夹爪和靶库本体上。它主要用于惯性约束聚变的打靶实验一次容纳多发靶。

摘要： 本发明提出了一种用于惯性约束聚变的自动换靶装置，属于实验设备领域。解决了现有惯性约束聚变实验换靶周期长，打靶效率低的问题。它包括平移机构、靶库旋转机构、靶夹持器、靶座、换靶真空腔和靶位姿调整设备，所述平移机构安装在换靶真空腔内部，所述换靶真空腔通过真空阀门与真空室相连，所述靶座安装在靶位姿调整设备上，所述平移机构包括安装底座、螺杆、靶库传感器、平移台、拖链、第一真空电机、行程复位传感器和导轨，所述螺杆和导轨均安装在安装底座上，所述平移台固定在导轨的滑块上，所述螺杆通过丝母座与平移台相连，所述第一真空电机通过齿轮组驱动螺杆旋转。它主要用于惯性约束聚变的自动换靶。

摘要： 本实用新型公开了一种用于激光惯性约束聚变的中子探测装置，所述的中子探测装置包括一个中心电极及对称设置于中心电极两侧的收集电极I和收集电极II。本实用新型用于激光惯性约束聚变的中子探测装置可减少探测器用量，避免探测装置对真空环境的要求，利用一个探测器尽可能对多个量级产额的中子进行覆盖，减少中子与探测器灵敏体相互作用时刻的不确定性，降低或者消除激光ICF中gamma射线对中子测量的影响。