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Z箍缩聚变及高能量密度应用研究进展

肖德龙 丁宁 王冠琼 王小光 李晨光 毛重阳

肖德龙, 丁宁, 王冠琼, 等. Z箍缩聚变及高能量密度应用研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200094
引用本文: 肖德龙, 丁宁, 王冠琼, 等. Z箍缩聚变及高能量密度应用研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200094
Xiao Delong, Ding Ning, Wang Guanqiong, et al. Review of Z-pinch driven fusion and high energy density physics applications[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200094
Citation: Xiao Delong, Ding Ning, Wang Guanqiong, et al. Review of Z-pinch driven fusion and high energy density physics applications[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200094

Z箍缩聚变及高能量密度应用研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202032.200094
基金项目: 国家自然科学基金项目(11775032,51790522,51790524,11845009,51907008,11805019)
详细信息
    作者简介:

    肖德龙(1979—),男,博士,研究员,从事Z箍缩聚变等离子体理论与数值模拟研究;xiao_delong@iapcm.ac.cn

    通讯作者:

    丁 宁(1958—),女,博士,研究员,从事Z箍缩聚变等离子体理论与数值模拟研究;ding_ning@iapcm.ac.cn

  • 中图分类号: O532

Review of Z-pinch driven fusion and high energy density physics applications

  • 摘要: 基于脉冲功率技术的Z箍缩过程可以实现驱动器电储能到X光辐射的高效率转换,形成极端温度、密度、压力条件,近年来在惯性约束聚变及高能量密度应用中取得了一系列重要进展。综述了国际上辐射间接驱动和磁直接驱动两条Z箍缩聚变技术路线发展现状,简要介绍了我国Z箍缩聚变尤其是7~8 MA脉冲功率装置上的动态黑腔研究进展;分别从辐射与物质相互作用、辐射不透明度、材料动态特性、实验室天体物理等方面,概述了Z箍缩应用于高能量密度物理研究的技术路线和主要成果。希望通过对Z箍缩聚变及高能量密度应用研究的论述和发展趋势分析,推动我国Z箍缩研究领域的进一步发展。
  • 图  1  双Z箍缩黑腔聚变构型示意图(其中A、B是初级黑腔,C是靶球,D是次级黑腔,E是辐条电极,F是馈入电流的电极)[20]

    Figure  1.  Schematic of double Z-pinch hohlraum driven ICF(A,B are primary hohlraums,C is the capsule,D is the secondary hohlraum,E points to spoke electrodes,F presents the feed-in electrode)[20]

    图  2  动态黑腔驱动靶内爆示意图[24]

    Figure  2.  Schematic of dynamic hohlraum driven target implosions[24]

    图  3  模拟给出的动态黑腔驱动靶丸内爆总体过程参数分布和靶丸运动轨迹

    Figure  3.  Parameter distribution of dynamic hohlraum driven target implosion and target trajectories in simulations

    图  4  动态黑腔等离子体参数分布及实验图像[32]

    Figure  4.  Simulated plasma profiles and experimental images of dynamic hohlraums[32]

    图  5  MagLIF构型及高增益靶示意图[8,33]

    Figure  5.  Schematic of MagLIF configuration and high gain MagLIF[8,33]

    图  6  Al套筒Z箍缩内爆MRT发展图像[34]

    Figure  6.  MRT development of Al liner Z-pinch implosion[34]

    图  7  模拟和实验给出的薄套筒扰动发展图像[44,45]

    Figure  7.  Simulated and experimental perturbation development of thin liner implosions[44,45]

    图  8  Z装置MagLIF实验中子产额和聚变等离子体温度[9]

    Figure  8.  Fusion yields and plasma temperatures of MagLIF experiments on the Z facility[9]

    图  9  Z装置K壳层辐射谱[55]

    Figure  9.  Spectra of Z-pinch K-shell radiation on the Z facility[55]

    图  10  不透明度实验示意图和Fe辐射不透明度数据[10,62]

    Figure  10.  Schematic of opacity experiments and Fe opacity data[10,62]

    图  11  7~8 MA装置飞片和准等熵实验速度数据[70,72]

    Figure  11.  Velocity data of flyer plate and quasi-isentrope experiments on 7~8 MA facility[70,72]

    图  12  等离子体射流形成示意图[12]

    Figure  12.  Schematic of plasma jet formation[12]

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-24
  • 修回日期:  2020-07-16
  • 网络出版日期:  2020-07-28
  • 刊出日期:  2020-08-15

Z箍缩聚变及高能量密度应用研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202032.200094
    基金项目:  国家自然科学基金项目(11775032,51790522,51790524,11845009,51907008,11805019)
    作者简介:

    肖德龙(1979—),男,博士,研究员,从事Z箍缩聚变等离子体理论与数值模拟研究;xiao_delong@iapcm.ac.cn

    通讯作者: 丁 宁(1958—),女,博士,研究员,从事Z箍缩聚变等离子体理论与数值模拟研究;ding_ning@iapcm.ac.cn
  • 中图分类号: O532

摘要: 基于脉冲功率技术的Z箍缩过程可以实现驱动器电储能到X光辐射的高效率转换,形成极端温度、密度、压力条件,近年来在惯性约束聚变及高能量密度应用中取得了一系列重要进展。综述了国际上辐射间接驱动和磁直接驱动两条Z箍缩聚变技术路线发展现状,简要介绍了我国Z箍缩聚变尤其是7~8 MA脉冲功率装置上的动态黑腔研究进展;分别从辐射与物质相互作用、辐射不透明度、材料动态特性、实验室天体物理等方面,概述了Z箍缩应用于高能量密度物理研究的技术路线和主要成果。希望通过对Z箍缩聚变及高能量密度应用研究的论述和发展趋势分析,推动我国Z箍缩研究领域的进一步发展。

English Abstract

肖德龙, 丁宁, 王冠琼, 等. Z箍缩聚变及高能量密度应用研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200094
引用本文: 肖德龙, 丁宁, 王冠琼, 等. Z箍缩聚变及高能量密度应用研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200094
Xiao Delong, Ding Ning, Wang Guanqiong, et al. Review of Z-pinch driven fusion and high energy density physics applications[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200094
Citation: Xiao Delong, Ding Ning, Wang Guanqiong, et al. Review of Z-pinch driven fusion and high energy density physics applications[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200094
  • Z箍缩技术可以实现从脉冲功率驱动器电储能到X光辐射的高效率转换。1998年,在美国圣地亚国家实验室(SNL)Z装置双层钨丝阵Z箍缩内爆实验中,产生了峰值280 TW、总能1.8 MJ的X光辐射脉冲,这是实验室条件下获得的最强X光辐射源[1]。在这一里程碑研究成果的推动下,美国随即启动了Z箍缩驱动惯性约束聚变(ICF)研究,近年来分别探索了辐射间接驱动、磁直接驱动两类聚变技术路线,在Z箍缩等离子体物理、聚变相关分解问题研究与状态控制、聚变出中子集成实验演示等多方面取得了重要进展[2-9]。同时,Z箍缩也可以创造极端温度、密度、压力的高能量密度条件,广泛应用于辐射与物质相互作用、材料物性、实验室天体物理等方面的研究[10-13]。近20年来,我国在脉冲功率驱动器研制、Z箍缩物理和Z箍缩聚变方面也开展了较为系统的研究工作,并且正在不断拓展Z箍缩在高能量密度物理领域的应用研究[14-19]。本文概述了Z箍缩辐射间接驱动和磁直接驱动两条惯性约束聚变技术路线的主要研究进展、关键问题及发展态势,并简要评述了Z箍缩在辐射与物质相互作用、辐射不透明度、材料物性、实验室天体物理等方向应用的研究进展,希望能够推动我国Z箍缩聚变及应用研究领域的布局及发展。

    • Z箍缩驱动惯性约束聚变的技术途径之一是黑腔辐射间接驱动聚变,主要原理是利用Z箍缩内爆产生黑腔辐射场,压缩氘氚(DT)靶球内爆,实现热核点火与燃烧。目前为止,研究较为深入的有两种黑腔构型,即双Z箍缩黑腔和动态黑腔。

    • 双Z箍缩黑腔构型如图1所示[20],包括两个相同的初级Z箍缩黑腔和一个次级静态壁黑腔。初级黑腔的辐射源由丝阵等离子体碰撞中心轴的泡沫或其他材料转换体获得,并以回流罩作为黑腔壁,因此初级黑腔的尺寸较大,半径和长度一般都为cm量级;次级黑腔为两端与两个初级黑腔端面相连接的柱形空腔,Z装置上典型次级黑腔的直径和高度都超过1 cm。

      图  1  双Z箍缩黑腔聚变构型示意图(其中A、B是初级黑腔,C是靶球,D是次级黑腔,E是辐条电极,F是馈入电流的电极)[20]

      Figure 1.  Schematic of double Z-pinch hohlraum driven ICF(A,B are primary hohlraums,C is the capsule,D is the secondary hohlraum,E points to spoke electrodes,F presents the feed-in electrode)[20]

      计算结果表明[3]:进入次级黑腔的辐射能流中超过70%来自于初级黑腔壁的再辐射,只有不到30%的份额来自于直接的Z箍缩等离子体辐射。用于靶丸压缩的辐射场主要是由初级和次级黑腔辐射叠加获得。Sanford等人通过优化电极设计,保证了初级黑腔两端辐射在时间、幅度和波形上的一致性[4],用于驱动靶内爆的辐射场均匀性可以控制到2%~4%[5]。Vesey等人利用双层丝阵碰撞、丝阵碰撞泡沫、滞止过程产生的X光辐射特征,获得多台阶黑腔辐射波形用于靶丸压缩[20]。计算结果表明,驱动电流60~70 MA时,约产生18 MJ的X光辐射能,靶丸可以吸收超过1 MJ能量,产生300~500 MJ的聚变能量输出。Olson等人近期更新了这一构型的黑腔及聚变靶设计[21]

      双Z箍缩黑腔构型的优势是:辐射波形可以适当调节,黑腔尺寸大,辐照靶丸的辐射对称性高。双Z箍缩黑腔能量转换效率较低,需要较高的驱动电流才可以实现聚变,因此最大的挑战是,能否将现有20 MA下约1 MJ、100 TW的X光辐射源外推到60~70 MA获得约10 MJ、1000 TW辐射。实验结果表明,对于较长时间丝阵内爆,烧蚀过程可能影响Z箍缩内爆物理并导致辐射功率和能量定标明显低于电流平方变化关系[22]。如果内爆时间较短(80 ns)、负载质量较轻,X光辐射功率和能量定标接近电流平方变化[23]。这一定标率能否外推到更高驱动电流条件,还需要进一步深化Z箍缩内爆动力学与辐射源物理研究。

    • Z箍缩动态黑腔是一种更为紧凑高效的黑腔构型,如图2所示[24],主要包含双层丝阵以及嵌入轴心的低密度泡沫转换体。丝阵等离子体碰撞泡沫产生强辐射,辐射压缩放置于泡沫中心的聚变靶丸。相比于双Z箍缩黑腔,动态黑腔没有次级黑腔辐射输运,黑腔能量转化效率以及耦合到靶丸吸能的效率显著增加。

      图  2  动态黑腔驱动靶内爆示意图[24]

      Figure 2.  Schematic of dynamic hohlraum driven target implosions[24]

    • 我们用MARED程序模拟了Z箍缩动态黑腔驱动DT靶内爆过程,图3给出了65 MA电流下动态黑腔形成、黑腔辐射烧蚀靶球内爆、燃料压缩3个典型过程中的密度和温度分布,也给出了靶球烧蚀层和燃料层外边界在赤道面和两极的运动轨迹。可以看到,高速内爆的丝阵Z箍缩等离子体碰撞嵌入轴心的低密度泡沫转换体时,在泡沫区产生强冲击波,加热泡沫转换体并产生强X光辐射。超声速传输的X光辐射先于冲击波到轴,辐射烧蚀放置于轴心的靶球内爆。燃料被压缩到高温高密度状态,发生热核聚变。在动态黑腔驱动靶内爆过程中,由于辐射更快传输到靶球赤道面,靶球压缩过程中存在一定的辐射驱动不对称性。

      图  3  模拟给出的动态黑腔驱动靶丸内爆总体过程参数分布和靶丸运动轨迹

      Figure 3.  Parameter distribution of dynamic hohlraum driven target implosion and target trajectories in simulations

      初步研究结果表明,驱动器大约10%的电储能可以转化为负载能量。由于碰撞热化,10%~30%的负载能量转化为向轴心传播的黑腔辐射能。在50 MA驱动电流条件下,一维点火靶设计中靶丸吸能可以达到1.5 MJ。

      动态黑腔构型的关键问题之一是解决柱形Z箍缩内爆与靶球球对称压缩的耦合问题。理论研究表明,靶丸烧蚀层等离子体膨胀与动态黑腔柱形冲击波相互作用,会显著减弱冲击波传播速度。随着黑腔辐射温度增加,这一相互作用明显增强,可以实现纯粹的辐射对称压缩,避免柱形Z箍缩等离子体的直接非对称压缩[25-26]

      动态黑腔驱动ICF的一个重要挑战是辐射驱动不对称性问题。模拟计算表明[6],靶丸赤道面和两极的时间积分的P2辐射不对称性小于6%。可以通过设置屏蔽层、控制靶丸厚度或者烧蚀材料对辐射驱动不对称性进行控制,获得20%的P2驱动不对称性补偿潜力,同时保证额定的聚变产出(对称驱动靶丸内爆产额的80%)。

    • 2002年8月到2006年2月,Z装置上共开展9轮动态黑腔驱动DD靶丸内爆出中子集成实验研究。实验结果表明,黑腔辐射温度超过200 eV。利用这一黑腔辐射烧蚀靶丸内爆,获得超过3.5×1011的中子产额[7],中子的时间飞行和能量分布测量也证明这是热核聚变中子[27]。利用示踪材料K壳层能谱诊断得到靶丸中心电子温度约1 keV,靶丸吸收了超过40 kJ的黑腔辐射能,对应的驱动器电储能到靶丸吸能效率大于0.35%。出中子集成实验成功地验证了动态黑腔驱动ICF的科学可行性。在理论设计中,预测在55 MA驱动器上,利用动态黑腔辐射场压缩靶丸内爆可以获得500 MJ的聚变能量[28]

    • 中国工程物理研究院于2013年研制成功大型脉冲功率装置,典型丝阵内爆实验峰值电流7~8 MA、上升时间60~70 ns[14]。模拟分析表明,通过优化丝阵质量比、半径比,可以在7~8 MA驱动条件下开展动态黑腔研究,获得峰值温度超过100 eV的黑腔辐射场[29]。近年来,已在7~8 MA装置上开展了多轮次动态黑腔形成关键作用机制与优化实验研究[30-32]。实验中利用双通道X光图像诊断技术,获得了冲击波和强辐射产生、发展和传播的完整动力学过程。研究结果表明,丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用,发生动能热化,开始形成冲击波。随着热化过程持续,冲击波不断增强,并产生强辐射。当热化过程完成,辐射超声速传播并与冲击波分离,从而确认在7~8 MA条件下形成了动态黑腔。图4给出了典型的辐射与冲击波传播的理论和实验研究结果[32]。其中图4(b)上排三幅图给出了全谱X光图像,表征了辐射传输过程和较为均匀的辐射分布,下排三幅图给出了超过800 eV光子能量的图像,准确地表征了冲击波波阵面位置的时间演化,验证了对黑腔特征的物理认识。近期,我们也利用这一黑腔辐射场初步开展了烧蚀柱形模拟靶和靶球内爆的探索实验研究。

      图  4  动态黑腔等离子体参数分布及实验图像[32]

      Figure 4.  Simulated plasma profiles and experimental images of dynamic hohlraums[32]

    • Z箍缩聚变另一种可能的更高效的技术途径是,利用Z箍缩套筒内爆直接压缩燃料实现聚变。SNL最早于2005年开始探索磁直接驱动聚变技术路线,2010年Slutz等人正式发表论文[8],提出磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型,详细讨论了MagLIF的基本原理和主要物理问题。

    • MagLIF主要过程及高增益靶设计如图5所示[8,33]。MagLIF包括三个主要动作过程:套筒压缩、燃料预热、燃料磁化。(1)套筒压缩:利用套筒Z箍缩内爆直接压缩燃料,套筒动能转化为燃料内能,产生聚变等离子体。Z装置MagLIF实验表明,采用纵横比(套筒半径与厚度比值)为6的套筒设计可以减弱磁-瑞利-泰勒(MRT)不稳定性影响,同时有利于低熵压缩实现燃料整体加热。(2)燃料预热:由于MagLIF是柱形压缩,因此需要极高压缩比才能达到点火温度。而Z箍缩内爆不稳定性发展决定不可能获得极高压缩比。因此需要利用激光或其他手段对燃料进行预热,降低柱形内爆的高压缩比需求。在套筒内爆开始时刻,启用激光对燃料进行加热,可以在数ns时间内使得燃料温度增加到200~400 eV,降低聚变所需收缩比。(3)燃料磁化:利用外加线圈产生10~50 T的轴向磁场,对燃料进行初始磁化。由于燃料升温,电导率升高,轴向磁场主要冻结在燃料等离子体中。随着燃料被套筒压缩,由于磁通守恒,可以产生约10000 T轴向磁场。极强的轴向磁场一方面对于套筒内爆不稳定性有致稳作用,另一方面极大地减小电子径向热传导损失,同时增加聚变产生的α粒子能量沉积,有利于获得高增益聚变产额。

      图  5  MagLIF构型及高增益靶示意图[8,33]

      Figure 5.  Schematic of MagLIF configuration and high gain MagLIF[8,33]

      MagLIF高增益靶主要是在DT气体和套筒之间增加了固态DT冰层,使得中心区DT气体点火后通过热传导和α粒子输运加热DT冰,增加聚变能量输出。二维模拟结果表明[33],不加DT冰时,48 MA驱动电流下聚变产额18 MJ,65 MA时聚变产额440 MJ。驱动电流大于56 MA时,DT冰的燃烧将迅速增强。采用高增益靶设计,65 MA驱动条件下的聚变产额可以达到7 GJ。

    • Z箍缩内爆过程中MRT不稳定性与生俱来,是影响套筒内爆品质及MagLIF最重要的物理机制。Sinars等人通过在Al套筒外表面预置初始扰动种子,定量研究了MRT不稳定性的时间演化规律[34-35],为验证数值模拟程序提供了坚实可靠的实验数据,典型的MRT不稳定性实验结果如图6所示[34]

      图  6  Al套筒Z箍缩内爆MRT发展图像[34]

      Figure 6.  MRT development of Al liner Z-pinch implosion[34]

      McBride等人开展了无预置扰动Be套筒的MRT不稳定性研究,获得了套筒内爆早期和滞止阶段套筒内、外界面不稳定性发展的完整图像[36-37]。尽管套筒表面粗糙度已经控制到很低水平,套筒内爆过程中的MRT不稳定性发展仍然非常强烈。Peterson等人发现,电热不稳定性(ETI)是产生套筒内爆不稳定性初始扰动种子的主要物理机制[38-39]。如果在导电的套筒表面覆盖一层绝缘材料,则电热不稳定性发展减弱,实验结果验证了这一优化设计[40]。存在初始轴向磁场时,实验中也观察到了螺旋形扰动发展图像[41-42]

      目前Z装置的MagLIF实验判断,套筒纵横比为6时,不稳定性发展不会对套筒内爆和燃料压缩造成破坏性影响。

      近年来,中国工程物理研究院也在7~8 MA装置上开展了薄套筒内爆不稳定性研究[43-45]图7(a)(b)分别给出了薄套筒早期电热不稳定性发展和内爆加速阶段MRT发展导致的等离子体温度和密度扰动数值模拟结果,图7(c)给出了内爆过程中典型的激光背光图像实验结果。尽管薄套筒与MagLIF厚套筒存在明显差异,但不稳定性发展机制具有一致性。研究结果表明,在套筒从固态形成等离子体过程中,由于电热不稳定性和磁流体力学不稳定性,初始的微小扰动会逐步发展为数十μm尺度的较大尺度扰动,成为MRT发展的初始扰动种子。在套筒内爆加速的MRT发展过程中,由于逆级联过程主导的波模耦合相互作用,短波模、小尺度扰动逐渐发展为约1 mm的长波模、大尺度扰动。

      图  7  模拟和实验给出的薄套筒扰动发展图像[44,45]

      Figure 7.  Simulated and experimental perturbation development of thin liner implosions[44,45]

    • Z装置MagLIF集成实验发现,2.5 kJ的Z-Beamlet激光能量仅有10%~20%用于燃料加热,大部分被封闭DT气体的激光注入孔(LEH)窗口薄膜吸收。同时,被加热后的LEH薄膜会与燃料混合,影响聚变等离子体品质。为此,SNL研究人员采用分布式相位板(DPP)技术对光束进行匀滑,改善激光束品质。同时,通过激光波形调制,设计低功率和低能量的预脉冲激光加热LEH窗口材料,随后主脉冲激光注入加热燃料。实验结果表明[46-47],在改善激光束光斑分布后,激光在燃料中可以传播更远,提高了激光加热均匀性和能量耦合效率。在MagLIF集成实验中,采用光束匀滑技术后提高了聚变中子产额,实验与理论预估中子产额之比从之前的15%提高到40%~55%。实验中观测到激光预热燃料时有约50%的激光发生受激布里渊散射(SBS)。在Omega装置上的激光预热燃料实验表明,增加预热脉冲时间间隔有利于减少SBS的影响,采用3倍频激光时受激拉曼散射也明显减弱。面向聚变点火所需的激光能量是数十kJ,研究人员也在国家点火装置(NIF)上开展了30 kJ激光预热燃料耦合效率研究[48]

      在MagLIF构型中,燃料预磁化需要引入外加线圈系统,从而增加了负载区电感,降低负载电流。Z装置典型MagLIF实验中驱动电流峰值16~18 MA,远低于动态黑腔实验达到的25 MA。SNL研究人员提出了磁化线圈及电极优化方案,降低负载区电感至4.5 nH,在Marx发生器90 kV充压条件下驱动电流可以提升到21 MA。通过优化亥姆霍兹线圈,也可以将外加轴向磁场由10 T提高到25 T左右[49]。Slutz等人也提出了一种Z箍缩套筒自磁化形成初始轴向磁场的方案。预脉冲电流在套筒表面螺旋型通道流过,产生初始轴向磁场。再利用主电流脉冲驱动套筒内爆。目前,利用这一方案已经在实验中获得超过100 T的初始轴向磁场[50-51]

    • 理论与实验都表明,燃料混合是影响MagLIF成败最关键的物理机制。MagLIF中主要存在三类引起燃料混合的因素:套筒内爆、LEH窗口材料、电极衬底。研究表明,大约一半的混合来源于激光预热阶段,一半来自于滞止阶段[49]。实验中观测到了Fe(套筒制备过程中携带)的特征谱线,用以推断滞止时刻Be与燃料混合中原子占比5%左右。分析表明,如果减速阶段的瑞利-泰勒(RT)不稳定性是导致混合的主要原因,则4%的混合量下中子产额为无混合时的50%。如果混合量为3%,燃料全区间混合与无混合时中子产额之比可以超过50%。当套筒纵横比为6时,扰动发展较弱,内爆导致的套筒与燃料混合不会对聚变产生致命性影响。激光预热LEH窗口材料也会导致燃料混合。通过在窗口材料上镀薄Co层,诊断到了Co的特征谱线。采用激光光束匀滑和波形调制、启用低温平台增加燃料密度、采用新型LEH窗口设计等,都有利于减少窗口材料与燃料的混合。套筒内爆过程中,与电极接触位置扰动发展更为剧烈,即发生壁不稳定性。为此,需要采用金属衬底以减弱其影响。实验研究表明[52],相对于Al材料衬底,采用Be衬底时中子产额增加10倍,离子温度提高60%。

    • 2013年年底,Z装置上开展首次MagLIF集成实验[9,53],各发次聚变产额和电子离子温度如图8所示[9]。实验结果表明,在没有初始轴向磁场和激光预热的情况下,滞止时刻物质温度小于1 keV,DD聚变中子产额小于1010。在增加初始轴向磁场并对燃料预热的情况下,离子和电子温度达到2.5 keV和3.1 keV,对应的DD中子产额达到2×1012。此外,由于DD反应产生T,还会发生DT反应产生二次DT中子,最高产额可达5×1010。首次MagLIF集成实验成功地验证了MagLIF构型的基本原理和部分关键问题,表明在采用燃料磁化和预加热的条件下,滞止时刻的燃料等离子体可以达到聚变所需温度,为深入开展MagLIF研究奠定了重要基础。

      图  8  Z装置MagLIF实验中子产额和聚变等离子体温度[9]

      Figure 8.  Fusion yields and plasma temperatures of MagLIF experiments on the Z facility[9]

      在2019年10月举行的美国物理学会年会等离子体分会(APS-DPP)上,Gomez报告了Z装置近期的MagLIF集成实验结果[54]。通过发展磁化平台增加初始轴向磁场至15 T,改善激光预热增加燃料沉积能量大于1 kJ,提升驱动电流超过19 MA,MagLIF集成实验DD聚变中子产额超过1×1013,离子温度3.1 keV。

    • 近期有望在Z装置上实现约100 kJ的DT聚变等效产额演示。但仍面临两大技术挑战:(1)提高激光预热能量耦合效率,增加激光沉积到燃料的能量到4 kJ以上;(2)提高驱动电流至22 MA以上。

      MagLIF构型把电磁能直接转化为压缩燃料的套筒动能,能量转化效率非常高,是实现点火与高增益聚变的一种可选的技术途径。未来还需要解决一系列关键科学和技术问题,特别是燃料预热效率、混合控制、复杂磁场位型下的套筒内爆状态控制、20~70 MA聚变增益定标率以及相应的工程技术实现等。

    • 除了开展聚变研究以外,还可以利用Z箍缩过程产生极端温度、密度、压力条件和强辐射源(环境),开展辐射与物质相互作用、辐射不透明度、动态材料特性、实验室天体物理等一系列高能量密度物理应用研究。

    • 脉冲功率技术从发展之初,就伴随着一个重要研究方向即产生强辐射源开展应用研究。例如,分别利用铝、钛、不锈钢、镍、铜、钼丝阵,以及氩和氪喷气Z箍缩,把中低Z材料剥离到K壳层,产生1~20 keV强辐射源(如图9所示)[55],研究辐射与物质相互作用。Z装置Al丝阵实验中,光子能量1~2 keV的辐射总能达到创纪录的400 kJ[56]

      图  9  Z装置K壳层辐射谱[55]

      Figure 9.  Spectra of Z-pinch K-shell radiation on the Z facility[55]

      Peterson等人通过从轴向引出动态黑腔辐射源并与低密度泡沫作用,研究了辐射从超声速传播到亚声速传播的转化以及冲击波产生和传播过程,首次在实验室条件下演示了核爆火球的典型物理特征[57]。Chrien等人利用丝阵辐射源,通过在封闭的回流罩上开孔,研究了小孔孔隙演化动力学过程[58]。在我国西北核技术研究院的“强光一号”装置上,也开展了辐射源产生及其与物质相互作用实验研究[59-60]

    • 材料辐射不透明度是武器物理和实验室天体物理研究的重要参数。Bailey等人巧妙利用动态黑腔产生的辐射特征[61-62],利用冲击波传播阶段空间分布较为均匀的黑腔辐射源加热样品,利用冲击波聚心产生的小尺度高温辐射作为背光源,获得了Fe的辐射不透明度定量数据。典型的辐射不透明度测量原理及实验结果如图10所示[10,62]。研究发现,Fe样品电子温度156 eV、电子数密度6.9×1021 cm−3时,在800~1305 eV能段内实验测量的透射率数据与不透明度理论模型符合得很好。2015年,Bailey等人在《Nature》上发表了利用动态黑腔开展Fe辐射不透明度测量的最新数据[10],Fe样品电子温度(1.9~2.3)×106 K,电子数密度(0.7~4.0)×1022 cm−3,这已经非常接近太阳等离子体中辐射/对流区的参数,为相关过程物理研究提供了重要基础,是目前这个领域最为重要的实验工作。实验发现,不透明度测量数据与理论计算结果相差了30%~400%,这对推动原子物理理论发展提供了重要数据支持。

      图  10  不透明度实验示意图和Fe辐射不透明度数据[10,62]

      Figure 10.  Schematic of opacity experiments and Fe opacity data[10,62]

    • 利用脉冲功率装置的强磁场条件产生极高的压力,加载到样品上,可以研究动态材料特性,包括材料状态方程、强度、微结构和动力学特征等[63]。20世纪90年代末,Asay等人提出由20 MA电流产生的斜坡压力,加载到样品上产生TPa级压力,驱动飞片运动[64]。经过电流脉冲整形,Z装置上飞片速度达到45 km/s,在样品中可以产生3~4 TPa压力以获取材料状态方程数据[65],或研究高密低温条件下的电导率参数[66]。Knudson等人利用飞片加载技术,开展金刚石状态方程研究,获得了熔化边上金刚石-bc8-液体三相点的实验证据,为验证高能量密度条件下材料响应特性理论模型提供了高精度实验数据[67]。2015年,Knudson等人又在《Science》上首次报告了金属氘相变的研究结果,实验上直接观测到了稠密液态氘中从绝缘体到金属的转变[13]。可以通过调节电流波形,获得无冲击条件下的样品准等熵曲线。Z装置上开展了钽材料准等熵实验研究,获得的峰值应力强度达到330 GPa,不确定度控制到4.5%以内[68]。也进一步获取了90~250 GPa下的钽材料强度数据,为检验材料模型提供精确的实验数据[69]

      近年来,我国7~8 MA装置上也开展了磁驱动飞片和准等熵实验研究,典型实验中的样品速度数据如图11所示[70-72]。在飞片实验中,单侧带状负载发射尺寸ϕ10 mm×0.725 mm的铝飞片速度达到11.5 km/s,磁驱动加载压力近90 GPa。通过优化负载尺寸、改进电流波形调制方法,尺寸ϕ8.5 mm×1 mm 铝飞片速度有望超过15 km/s。通过控制样品加载路径,实现了材料的准等熵压缩,获得了Al和Cu等材料在100 GPa压力下的准等熵实验数据。

      图  11  7~8 MA装置飞片和准等熵实验速度数据[70,72]

      Figure 11.  Velocity data of flyer plate and quasi-isentrope experiments on 7~8 MA facility[70,72]

    • 利用Z箍缩驱动产生等离子体射流模拟天体物理过程和现象,成为近年来Z箍缩技术应用的研究热点[11-12]。设计特殊的Z箍缩构型可以产生等离子体射流。例如,利用反向丝阵设计,使得单丝消融等离子体外爆,形成向外喷射的等离子体流。利用锥形丝阵设计,形成与锥轴平行的等离子体射流。也可以利用薄膜烧蚀产生等离子体射流。Lebedev等人也巧妙地利用径向丝阵设计,在电极附近部分丝芯物质完全消融后,形成“磁塔”状等离子体射流,用以模拟磁场占优的天体物理现象[12]。Bennett等人采用了一种创新的丝阵设计,产生了旋转等离子体射流,可以描述天体中的吸积盘典型物理特征[73]图12给出了产生等离子体射流的三种Z箍缩负载构型[12]。激波是天体物理中广泛存在的现象。研究人员利用套筒Z箍缩在内界面产生射流,并与充入的气体相互作用,研究了激波传播的基本特性。利用射流碰撞,研究了弓形激波的产生和传播过程。也开展了天体物理中霍尔效应以及产生高能粒子的实验室模拟研究。这一领域的研究内容非常丰富,详细可参考Lebedev的综述论文[12]。

      图  12  等离子体射流形成示意图[12]

      Figure 12.  Schematic of plasma jet formation[12]

    • 利用氘喷气Z箍缩可以产生强中子源,Saturn装置和Angara-5-1装置喷气实验都获得了1012量级的中子,主要是由于强电场加速氘离子碰撞氘等离子体产生的束靶中子。Z装置氘喷气实验获得了产额3.9×1013、能量为2.34 MeV的中子,实验结果也初步证实了中子的各向同性,表明具有较高的热核聚变中子份额[74]

      Z箍缩可以产生实验室最强的脉冲磁场[2]。在典型的Z箍缩内爆中,如果等离子体被压缩到半径1 mm,则驱动电流1~60 MA时,最高可以获得的磁场强度峰值为200~12000 T,为开展极端条件下的物理研究创造了强磁场条件。

    • Z箍缩驱动聚变及高能量密度物理研究方兴未艾,在国防和基础领域都有重要应用。未来,中美俄等大国将主要聚焦于Z箍缩驱动聚变研究,发展大电流脉冲功率装置,开展聚变点火验证与高能量密度应用。美国基于动态黑腔和MagLIF两条聚变技术路线,提出了建设Z300和Z800的发展计划(也提出了采用Marx技术路线的Jupiter装置概念设计,主要物理指标与Z800相近)[75]。约49 MA的Z300装置用于验证数MJ聚变点火,约66 MA的Z800装置用于演示数百MJ的高增益聚变。俄罗斯提出了建造50 MA“贝加尔”装置的研究计划,以研究辐射间接驱动的惯性约束聚变热核点火关键物理问题[76]。与此同时,针对Z箍缩聚变及高能量密度应用中的基础问题,需要开展深入的理论与数值模拟研究,并利用小型装置开展精细的实验设计与验证。

      面向未来Z箍缩发展,需要重点解决一系列关键问题:(1)Z箍缩等离子体形成与演化机制及其品质调控方法。深入认识不同构型下初始负载形成等离子体物理过程及其演化规律,发展控制方法、提出创新的Z箍缩负载构型,调节等离子体以及磁场分布,获得满足应用需求的等离子体状态,是Z箍缩诸多应用的基础和关键;(2)反常辐射产生机制与辐射源定标率。目前,几乎所有Z箍缩实验都观测到辐射能量是零维动能的2~3倍。尽管研究人员提出了多种可能的物理解释,但还未形成统一的认识。这将极大地影响外推到大电流下的辐射定标率,进而影响聚变及高能量密度应用。(3)精细的聚变物理设计以及创新的聚变方案。目前,MagLIF研究依然面临不稳定性控制、燃料预热效率以及驱动器与负载高效耦合等一系列科学和技术挑战,而Z箍缩辐射间接驱动聚变主要借鉴激光聚变的中心点火靶设计,存在极大的不确定性。因此需要开展精细的聚变物理设计,也需要提出更多创新的聚变方案。

      我国已经建立了较为完善的Z箍缩驱动器、理论与数值模拟、实验、诊断和制靶的综合研究能力。近年来,提出了建造约30 MA和约50 MA大型脉冲功率装置的发展规划,以研究点火前关键物理问题以及高增益聚变物理问题。也提出了Z箍缩聚变裂变混合能源堆的长期发展方向[77]。目前,是我国赶超国际先进水平的关键时期,也是重大机遇期。为此,一方面需要推动大科学装置建设,开展系统性的Z箍缩聚变研究;另一方面需要布局更多小型研究平台,深入研究Z箍缩基础物理问题,拓展高能量密度物理研究方向。

参考文献 (77)

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