Abstract
直接驱动激光聚变通过整形后的纳秒脉冲激光辐照氘氚（DT）球壳靶,经球对称压缩加速后,在中心转滞获得高温等离子体热斑，实现聚变点火.在球壳靶受到压缩和加速过程中等离子体界面的流体力学不稳定性,特别是瑞利-泰勒不稳定性的增长有可能会对压缩壳层造成破坏,导致点火的失败.本文通过理论解析和数值模拟,对2020年冬季实验条件下双锥对撞点火方案中的流体力学不稳定性增长进行了分析.结果显示理论模型与一维数值模拟中对整体压缩和加速过程的描述基本一致,在当前的近等熵波形下金锥中的壳层靶实现了低熵压缩,同时瑞利-泰勒不稳定性增长导致的最危险时刻扰动振幅和壳层厚度比可以达到约0.25,壳层依然处于安全状态,但当初始壳层表面扰动均方根振幅大于22 nm时,则可能出现壳层的破裂.因此，下一轮实验前的靶设计与驱动激光脉冲波形设计中可以通过增加靶壳层厚度、提高预脉冲强度、减小靶表面的粗糙度和提高激光辐照的匀滑度等方式来抑制不稳定性增长.
Highlights
which happened at the interface of plasmas
indicated the fuel shells were compressed with low adiabat under the current quasi-isentropic waveform
The Rayleigh-Taylor instability remains in safe region with a maximum perturbation amplitude reaches
Summary
方可 1)2) 张喆 1) 3) 4)† 李玉同 1) 2) 3) 4) 张杰 1)4)5)† 4)(上海交通大学,IFSA 协同创新中心,上海 200240) 5)(上海交通大学物理与天文学院,上海 200240) 摘 要 直接驱动激光聚变通过整形后的纳秒脉冲激光辐照氘氚(DT)球壳 靶,经球对称压缩加速后,在中心转滞获得高温等离子体热斑,实现聚变 点火.在球壳靶受到压缩和加速过程中等离子体界面的流体力学不稳定 性,特别是瑞利-泰勒不稳定性的增长有可能会对压缩壳层造成破坏,导 致点火的失败.本文通过理论解析和数值模拟,对 2020 年冬季实验条件下 双锥对撞点火方案中的流体力学不稳定性增长进行了分析.结果显示理 论模型与一维数值模拟中对整体压缩和加速过程的描述基本一致,在当 前的近等熵波形下金锥中的壳层靶实现了低熵压缩,同时瑞利-泰勒不稳 定性增长导致的最危险时刻扰动振幅和壳层厚度比可以达到约0.25,壳 层依然处于安全状态,但当初始壳层表面扰动均方根振幅大于22 nm时, 则可能出现壳层的破裂.因此,下一轮实验前的靶设计与驱动激光脉冲波 形设计中可以通过增加靶壳层厚度、提高预脉冲强度、减小靶表面的粗 糙度和提高激光辐照的匀滑度等方式来抑制不稳定性增长. 聚变点火方案[1,2,3,4],近年来其中一些方案已经实现了较高水平的聚变中子产额[57].在这些点火方案中,流体力学不稳定性的发展,包括冲击波阶段的 RichtmyerMeshkov Instability (RMI)增长,和压缩加速阶段的瑞利-泰勒不稳定性(RTI)增长, 都对燃料压缩所能达到的密度和最终的中子产额有很大影响[8,9,10,11,12,13].围绕激光聚变 中的流体力学不稳定性增长,数十年来已经有大量的理论、模拟和实验研究[1417].壳层飞行过程中的加速度和质量烧蚀速率将会对 RTI 增长有决定性的影响, 同时烧蚀面附近的密度梯度和质量烧蚀速度也能抑制短波长 RTI 的增长[9,10,11,12,13, 18].
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