改进点火靶零维设计研究

In ignition target design, many parameters and physical processes should be considered. Zero-dimension ignition target design is usually used to reduce the numbers of the parameters and processes before carrying out more detailed one- or two- dimension target design. A key part in zero-dimension design is to describe the formation of hot spot during implosion deceleration phase, namely implosion deceleration model. The usual deceleration model makes the assumption of rigid shell in which the distribution and evolution of shell density and pressure are neglected. On the other hand, according to the status of recently ignition experiments, it is necessary to modify the boundary conditions of some key parameters adopted in the original ignition target design, like the adiabat, implosion velocity, and radiation temperature. This project is about to use an improved implosion deceleration model to take the adiabat into account in a self-consistent way in zero-dimension ignition target design under newly developed boundary condition. A new design will be finally produced at different location in the parameter space.

点火靶设计需要平衡多个物理过程，考虑众多物理量。一般通过零维设计来简化物理过程，划定大致参数范围，以便开展更为详细的一维、二维点火靶设计。零维设计中的一项核心内容是对减速阶段热斑形成过程的描述，即减速阶段模型。通常减速阶段模型采用刚壳近似，不考虑壳层内部压力、密度分布，进而不考虑熵增因子对减速压缩做功的影响。另一方面根据已经开展的NIF（美国国家点火装置）点火实验结果，点火靶设计有必要调整原来采用的边界条件，即有必要调整原来进行点火靶设计时认为能够接受的关键物理量的边界值，如熵增因子、内爆速度、辐射温度等。基于以上两点，本项目计划采用更加细致的内爆减速模型，在零维设计中自洽考虑熵增因子这一关键物理量，在新的约束条件下，给出与以往有所区别的零维设计参数空间。

美国国家点火装置（NIF）上开展的点火实验未能取得成功。在此背景下，本课题研究试图回答两个问题：（1）导致点火实验未能取得成功的主要原因；（2）基于NIF实验结果，如果可以重新设计，能够实现点火的激光能量。对第一个问题，提出了NIF点火实验三个阶段的划分：（1）National Ignition Campaign（NIC）阶段（2009-2012）；（2）高熵内爆阶段（2012-2015）；（3）科学认识阶段（2015-至今）；梳理了每个阶段的目标、困难、措施、效果，以及不同阶段之间的转承关系。最终将导致点火未能取得成功的主要原因定位于热斑压力偏低。对第二个问题，围绕热斑压力偏低这一判断，提出了若干解决途径，包括增加靶丸尺寸、内爆速度和烧蚀压力，以及改变壳层熵增等措施，结合NIF已有实验结果和内爆减速阶段定标关系，给出了每种途径最终所需的激光驱动规模。该研究成果，对理解NIF实验结果，确定驱动器规模有借鉴意义。