惯性约束聚变内爆过程中低阶模不对称性问题研究

Hydrodynamic instability is the key issue of the inertial confinement fusion(ICF) and defense research, and low-mode asymmetry is one of the main reasons for the ignition failure of the latest ICF implosion experiments. Since the origin and evolution of the low-mode asymmetry and its influences on implosion performance are quite complex, the low-mode asymmetry of ICF implosions is still not well understood. The project will use the numerical simulations in combination with the theoretical analysis and experimental test as the main research method. The effects of the time-dependent radiation flux asymmetries, hard x-ray preheating, and the multi-mode coupling on the low-mode asymmetry evolution will be carefully studied to obtain the scaling laws of the low-mode asymmetry growth. The projects will focus on the key physical issues which cause the large low-mode asymmetry in the ICF implosions, and develop effective methods to reduce the low-mode asymmetry growth. The research will provide the theoretical support of the ICF ignition physics and implosion experiments.

流体力学不稳定性是惯性约束聚变（ICF）与国防研究的关键物理问题，其中低阶模不对称性是导致ICF最新内爆实验点火失败的主要原因之一。由于低阶模扰动的来源，发展及其对内爆性能的影响非常复杂，目前国际上对这一课题的研究尚不充分。本项目拟采用数值模拟为主，理论分析，数值定标与物理实验相结合的研究方法，研究不同时间阶段的辐射流驱动不对称性，高能X光预热，以及多模耦合效应等因素对低阶模扰动发展的影响，得到低阶模不对称性发展的定标规律，认清导致点火靶内爆低阶模不对称性的关键物理因素，发展有效抑制低阶模扰动增长的方法，为ICF点火物理与内爆实验提供理论支持。

低阶模不对称性是导致美国国家点火装置上惯性约束聚变（ICF）内爆实验点火失败的关键因素。引起内爆低阶模不对称性的主导因素尚未明确。要改善点火靶内爆性能必须明确导致点火靶内爆低阶模不对称性的主导因素，并发展有效的对称性调控技术。本项目获得如下重要进展：1）研究了不同时间阶段的驱动不对称性对低阶模扰动发展的影响规律，发现预脉冲阶段与主脉冲阶段相同相位的P2驱动不对称性引起的形变相位相反；由此我们创新性地提出了“辐射流不对称性正正相消”调控方法，能够有效地改善内爆对称性与最终产能。2）研究了低阶模驱动不对称性与中高阶模靶丸表面粗糙度之间的模耦合效应对点火靶内爆性能的影响，发现模耦合效应引起靶壳破裂，导致内爆产能降低与点火失败，同时数值模拟得到的二次谐波幅度与模耦合理论公式较好地符合。3）研究了黑腔内高能X光预热不对称性对点火靶内爆低阶模不对称性的影响规律，明确给出点火靶对M带辐射流不对称性的产能悬崖位置以及ICF对黑腔内高能X光预热不对称性的指标要求。同时，发现热斑面积增大与涡流效应共同加剧了热斑边界能量漏失，导致内爆性能退化与点火失败。4）针对目前美国点火靶实验面临的主脉冲阶段严重的P2不对称性困难，本项目通过人为加厚点火靶丸极轴方向烧蚀层或DT主燃料层厚度，创新性地提出了CH/DT非球壳点火靶设计来抵消主脉冲阶段严重P2驱动不对称性对内爆性能的影响，该方法能够有效地改善内爆对称性与最终性能；并通过二维模拟扫描给出了非球壳靶设计的优化空间。5）系统模拟研究了黒腔残余驱动不对称性，靶丸支撑膜，靶丸烧蚀层外表面鼓包与凹坑缺陷，以及DD/CH物质界面上的气泡缺陷等二维非理想因素对整形脉冲内爆性能的影响，发现整形内爆对靶丸烧蚀层外表面的凹坑缺陷最为敏感，确定了影响内爆性能的关键因素。