惯性约束聚变内爆具有明显的3D不对称性

与导致内爆不对称的两个因素相关的数据使劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家们更进一步地了解了国家点火装置(NIF)的惯性约束聚变(ICF)实验与仿真之间的差距。

这些实验旨在点燃氘-燃料中传播的聚变燃烧波。为了实现点火，燃料必须达到自热状态，在这种状态下，产生的能量超过膨胀，热传导和辐射冷却带来的能量损失。

表现最佳的ICF爆破，中心热点压力为360 Gbar(十亿个大气压)，聚变产量为50千焦耳，已开始显示出聚变自热效应。但是这些实验仍然不如1D和2D模拟，后者预测500 Gbar以上的压力和以自热为主的动力学。

通过分析来自多年高产NIF ICF实验的数据，研究人员发现了热点内爆的速度与燃料面密度的不对称性(内爆冷冻聚变燃料壳的总厚度和密度)之间的相关性。 。

激光能量学物理学家Hans Rinderknecht(由LLNL的劳伦斯研究员进行这项工作的实验室)，LLNL物理学家Dan Casey和LLNL同事在《物理评论快报》上的一篇论文中报告了结果。

凯西说：“我们知道不对称是内爆性能的主要降低。” “我们发现3D不对称确实存在，并且在两个关键测量之间相互关联。这些结果为后续工作以追踪不对称源奠定了基础。”

在广泛的射击和目标配置中，包括从高密度碳(HDC)，“ BigFoot”(高绝热或降低压缩的HDC)和传统CH(塑料胶囊)运动的射击中，相关性是一致的。

“我们发现，ICF计划在过去三年中对NIF进行的大多数爆破具有非故意的不对称性，将其“推”到一侧而不是均匀地爆破。这意味着一些能量被浪费了，” Rinderknecht说。

在各种不同的烧蚀剂组成，激光功率历史和其他因素的广泛实验中，热点速度与燃料面密度的不对称性之间大小和方向的惊人一致性是一个共同的，系统的根本原因。内爆往往被推向大喇叭的诊断窗口。那些窗口被薄薄的金层覆盖，使X射线摄影机可以看到大腔内的胶囊。

在2016-2018年期间，对HDC(圆形)，Bigfoot(三角形)和CH(方形)运动中的NIF低温内爆进行了中子平均热点速度大小和方向评估。灰色符号表示内部速度低于30 km / s的内爆。图片来源：劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

两个重叠的诊断

研究人员将他们的分析方法应用于2016年至2018年间在NIF上进行的44次低温氘-冰层内爆。在18个HDC中的17个，11个大脚怪中的10个以及15个CH内爆中的6个中观察到了热点移动方向。

Rinderknecht说：“这是一个经典的故事，说明两个数据集如何比一个更好。”

NAD记录有多少聚变产生的中子脱离爆炸而没有散射。因此，该诊断可以确定燃料在各个方向上的密度变化。

但是，NAD也可能会受到多普勒频移的影响：如果内爆向检测器方向移动，中子将获得能量增强，因此由于与能量有关的NAD激活横截面，信号会增加。nTOF光谱仪还测量中子多普勒频移。

诊断是观察内爆中实际发生情况的唯一方法，但它们可能有缺陷或被误解。Rinderknecht说：“当您开始收集和解释数据时，很容易就您所看到的东西是否真实而争论不休，特别是如果结果令人惊讶的话。”

他说：“一旦我获得了两组数据，我便开始将它们绘制在一起(热点速度与密度不对称关系)，并且共享模式立即弹出。” “来自两个不同且经过独立审查的诊断程序的两个支持数据集在如此多的条件不同的镜头中相互确认，很明显，正在发生着真实而有意义的事情。”

展望未来，LLNL研究人员正在开发详细的模型，以更定量地评估窗辐射损失，包括窗结构和消融动力学的影响。

研究人员在论文中说：“基于这些数据，已经启动了一项研究计划，以发现和控制驱动器不对称性的根源，这对于正在进行的在NIF上实现点火的关键步骤。”

初步结果表明，激光传输的不对称性与诊断窗口的不对称性相当。胶囊厚度变化，冰层厚度变化以及激光与目标的未对准也可能是不对称的来源。

研究人员说：“识别和控制这种不对称性来源的工作正在进行中，这对于进一步改善内爆性能和实现间接驱动ICF点火至关重要。”

LLNL的同事Robert Hatarik，Richard Bionta，Brian MacGowan，Prav Patel，Nino Landen，Ed Hartouni和Omar Hurricane加入了Casey和Rinderknecht的论文“国家点火设施上惯性约束聚变内爆中的方位角驱动不对称性”。

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