美福陆将负责全球首座激光惯性约束聚变电厂设计

【美国远景聚变能系统公司网站2024年3月8日报道】美国远景聚变能系统公司(Longview Fusion Energy Systems)近日将全球首座激光惯性约束聚变电厂设计合同授予福陆公司(Fluor)。远景计划在十年内建成这座功率高达160万千瓦的聚变电厂。

惯性约束聚变的电磁屏蔽仿真

惯性约束核聚变的激光靶耦合过程产生的电磁脉冲会强烈干扰实验诊断设备的正常运行。为此,用B-dot天线采集了神光Ⅱ装置近靶点处激光与靶耦合产生的电磁脉冲信号,简单分析了6个打靶发次的电磁脉冲实验数据。并提出了加装铜制材料作为屏蔽装置以削弱电磁脉冲干扰的设计。借助ANSYS多物理场仿真软件对加装屏蔽板后不同电压下的电势分布进行了仿真,仿真结果表明,铜屏蔽板对220 V/380 V电压下的激励均具有良好的屏蔽效果,电势大小均降低到15 V以下。

激光惯性约束聚变堆发展与展望

自21世纪伊始,伴随着人口数量的快速上升和经济的飞速增长,能源需求呈现出急剧上升的趋势。然而,主要由煤炭、石油和天然气构成的化石燃料等一次能源,在自然界中的存量并非无穷无尽。为了应对这一问题,人类迫切需要开发既绿色清洁又持续可靠的新能源。激光惯性约束聚变(Laser Inertial Confinement Fusion,简称LICF)是以激光或粒子束为驱动源的大科学研究,是现阶段实现可控核聚变区别于磁约束聚变(Magnetic Confinement Fusion,简称MCF)的主要技术途径之一。

美能源部为惯性约束聚变研究提供4200万美元资助

【美国能源部网站2023年12月7日报道】2023年12月7日,美国能源部宣布未来四年将为“惯性约束聚变能科学技术加速研究”(IFE-STAR)计划提供4200万美元资助。该计划将汇集国家实验室、学术界和工业界的专业知识和能力,推进惯性约束聚变技术发展。

激光惯性约束聚变靶靶丸制备与表征

激光惯性约束聚变的核心思想是利用球形内爆技术对聚变燃料进行增压,使热核燃料达到高温、高密度的等离子体状态,进而实现聚变点火。基于对称压缩、流体界面不稳定性和实验诊断的考虑,ICF实验对作为热核燃料容器的空心微球的品质在球形度、壁厚均匀性、表面粗糙度以及掺杂水平等方面提出了严格的要求。为满足这些要求,陆续发展了乳液微封装技术、降解芯轴技术、低压等离子体聚合/掺杂技术、干凝胶玻璃微球制备技术等用于多层塑料微球和空心玻璃微球的研制。另一方面,针对ICF靶丸量小、质轻以及表面要求高的特点,发展了相应的非破坏性靶丸参数表征技术,如X光照相技术、4π形貌表征技术、微球掺杂水平测量技术以及微球内燃料负载水平快速测试技术。基于这些制备与表征技术,初步实现了多层塑料微球、玻璃微球、聚-!-甲基苯乙烯芯轴微球、梯度掺杂CH微球的研制,满足了"神光Ⅱ"、"神光Ⅲ原型"及"神光Ⅲ主机"上开展的一系列内爆物理实验的要求,同时为未来点火物理实验用靶丸的研制提供了技术支撑。

激光-惯性约束聚变综合诊断系统

概述了为在强激光装置"神光 II"、"星光 II"上开展惯性约束聚变实验而建立的综合诊断系统的构成与指标。重点介绍了近期在X光、光学波段、聚变产物、诊断精密化等方面的进步,以及该诊断系统在黑腔靶物理、内爆动力学、不透明度研究中的应用。

激光间接驱动惯性约束聚变二维总体程序——LARED集成程序

介绍了辐射流体力学程序LARED集成程序的物理背景、模型方程、数值方法和数值算例。该程序主要应用于激光间接驱动惯性约束聚变的二维整体模拟,兼顾激光直接驱动、辐射驱动靶丸内爆过程和流体不稳定性等物理过程的数值模拟。通过与实验数据、一维辐射流体力学程序进行比对,验证了程序的可靠性。该程序实现了多群输运建模下NIF点火靶的全过程数值模拟,并已应用于惯性约束聚变的物理研究。

激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展

对国内激光惯性约束聚变(ICF)领域高时空分辨技术的最新进展进行了比较全面的介绍。针对热斑诊断时间分辨优于10 ps、空间分辨优于10μm、能区10~30 keV的需求,从光学、X射线、核诊断和计算成像几个角度,比较系统地介绍了最新的进展。光学领域主要介绍基于泵浦探测技术的全光扫描和全光分幅技术。全光扫描技术的时间分辨可以达到200 fs,全光分幅的时间分辨可以达到5 ps,空间分辨可以达到5μm。该系统的主要部件为光学器件,在ICF未来的强电磁、强电离环境下有很好的应用前景。X射线系统主要介绍最近几年发展的高分辨KB显微镜,其采用STTS构型,可将空间分辨提高到3μm,满足当前高分辨的需求。漂移管技术的时间分辨可以达到10 ps,作为一种正在发展的技术,对此进行了较为全面的分析。中子成像系统主要介绍了高空间分辨的记录系统以及对应的瞄准技术的进展,其空间分辨可以达到20~25μm。计算成像作为一个全新的分支,最近引起了ICF领域的广泛关注。着重介绍了三维光场技术和在高时空分辨领域有很好应用前景的压缩感知超快成像(CUP)技术,对其可能在ICF领域中的应用提出了设想。

激光惯性约束聚变靶制备技术研究进展

在实验室实现聚变反应释放的能量大于点燃聚变反应所需能量的阈值是当今世界ICF研究的主要目标,实现这一目标仍需要深入研究一系列的关键物理问题。在ICF研究中,制靶能力的发展与提升至关重要,靶的质量是实验成功的核心要素之一。本文介绍了国际ICF靶制备工作近年来在新型烧蚀层材料靶丸、新型靶丸支撑技术、优化黑腔材料与构型以及减小燃料填充管直径等方面取得的一系列进展,并结合ICF物理需求,简要阐述了ICF靶的发展趋势。

用于惯性约束聚变靶丸测量的激光差动共焦传感器

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题,研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS)。该传感器基于差动共焦原理,利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位,并结合物镜微位移驱动技术,实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量。该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响,显著提高了系统的抗干扰能力。将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合,实现了对被测样品的精确瞄准。初步实验与理论分析表明:当测量物镜的数值孔径NA为0.65时,LDCS的轴向分辨力优于5nm,信噪比优于1 160,过零点的标准偏差为10nm。该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径。

压缩感知技术在激光惯性约束聚变研究中的应用

激光驱动惯性约束聚变(ICF)研究是当前国际前沿科学中一个具有挑战性的研究领域,它以高能激光作为驱动源,在极短的时间内将大量能量注入靶丸中使聚变材料达到高温高密度的状态从而在靶丸中心形成热斑并引燃整个燃料层,最终实现可控核聚变。由于内爆热斑直径为50~100μm,其持续时间为100~200 ps,离子温度达到5 keV,压力可达4.0×10^(16) Pa。因此,发展极端瞬态条件下的诊断技术具有重要意义。介绍了两种基于压缩感知技术的诊断方法,第一种是基于数字微镜阵列(DMD)进行编码的反射式可见光压缩感知技术,这种技术将现有的一维任意反射面速度干涉仪(VISAR)与压缩超快成像(CUP)系统相结合,有望实现一种全新的具有高时间分辨的二维VISAR诊断技术,将诊断维度从一维扩展至二维,同时它克服了现有的二维VISAR单幅成像的缺点,有望实现对内爆压缩过程流体力学不稳定性演化过程的连续诊断。由于基于DMD进行编码的反射式可见光压缩感知技术只能用于可见光波段,无法用于紫外与X光波段,为此还发展了一种透射式压缩感知技术。这种透射式压缩感知技术采用一种新颖的透射式元件实现对待测信号的编码,可以实现对紫外和X光波段信号的二维超快探测,有望实现对内爆热斑超快时空演化过程进行精密诊断。此外,针对单通道CUP技术的高时间分辨的优势和低空间分辨的不足,还提出了多通道编码、分别扫描、解码、再合成的全新的高时空分辨诊断系统基本思路,有望实现高时间分辨的同时,实现高空间分辨的二维新型诊断技术。

惯性约束聚变束靶耦合的监测及精度分析

为了提高惯性约束聚变实验中高功率激光驱动装置束靶耦合的精度,介绍了几种束靶耦合监测方法,包括靶室外直接监测,靶室内直接监测,靶室内基于共轭原理的传感器监测等。分析了各种方法的优缺点,并重点对基于光学共轭原理的传感器的耦合精度进行了研究,分析了图像测量误差,CCD保护玻璃引入的误差,调焦导轨运动时引入的误差及传感器标定装校时引入的误差。实验测试及精度分析表明,共轭式传感器引入的束靶耦合误差为±10μm。采用这种基于光学共轭原理的传感器,可以实现大型激光驱动装置的快速、高精度束靶耦合。

激光间接驱动惯性约束聚变内爆物理实验研究

激光间接驱动惯性约束聚变利用辐射烧蚀驱动靶丸球形内爆,在减速阶段将内爆动能转化成热斑内能,同时压缩燃料,达到点火条件,实现聚变点火。根据目前认识,影响内爆压缩过程的主要因素包括内爆对称性、燃料熵增因子、内爆速度和混合。内爆物理实验研究的目的是发展对上述影响因素的实验表征方法,获取这些影响因素随靶设计参数的变化规律,建立相应的实验调控能力,最终达到不断提升内爆性能的目的。为此,在内爆对称性方面,开展了Bi球自发光实验,用于研究点火脉冲前2ns驱动不对称性;在内爆速度方面,开展了球面弯晶单能流线实验,测量得到内爆速度和剩余质量随时间的变化;在混合方面,开展了内壳层示踪涂层内爆混合实验,测量得到环形发光图像。为考察综合内爆性能,在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上开展了DT内爆实验,获得了中子产额随初始靶参数的变化规律。

惯性约束聚变反应速率测量

聚变反应速率是表征惯性约束聚变热核反应的重要参数,为测量聚变反应速率,研制了一套由闪烁体及鼻锥部分、光学系统和条纹相机组成的测量系统。在神光Ⅲ原型装置上利用新研制的聚变反应速率测量系统进行了聚变反应速率测量。在DT中子产额约为1010条件下,首次获得了聚变反应速率随时间的变化过程。对影响聚变反应速率测量的相关因素进行详细分析后表明,系统的时间分辨力优于30ps。

惯性约束聚变装置总体布局和结构设计

从工程角度系统分析了大型激光驱动惯性约束聚变装置(ICF)—美国的国家点火装置(NIF)和法国在建的兆焦耳激光装置(LMJ)的总体布局和总体结构设计的特点。NIF采用"U"型总体布局,可以提供优化的激光实验设备布局并允许未来增加第二靶室。LMJ采用"In-line"型总体布局,可以减小激光实验区输出光束至终端光学系统之间的光程,并为未来增加第二靶室提供了可能。文中指出,ICF装置的总体布局应满足物理实验以及稳定运行、集成和维护的要求。在此前提下,还应设计进一步发展所需要的接口。ICF装置总体结构设计中,光学元器件封装在光机组件内;在线可更换单元采用运动学支承定位。总体结构设计在结构布局和构型上应与总体光路设计相匹配,设计时需考虑功能性、稳定性和洁净度,满足光学元件,物理设备和光学诊断设备的安装定位、集成调试、运行维护的要求。

气凝胶的制备及其在惯性约束聚变实验中的应用

气凝胶是惯性约束聚变(ICF)实验中的一种理想的靶材料。文章介绍SiO2气凝胶、有机和碳气凝胶、二元气凝胶、掺杂SiO2气凝胶和其它几种气凝胶的研制,探讨了气凝胶在ICF相关研究领域的应用。

惯性约束聚变靶材料碳气凝胶的制备方法

用溶胶 凝胶法制备出了高RC比 (间苯二酚与催化剂的摩尔比 )的RF有机气凝胶 ,通过溶剂替换 ,成功地实现了常压条件下的干燥工艺。经高温碳化处理 ,将RF有机气凝胶转化为碳气凝胶 ,改变RC比和聚合单体的质量百分数 ,可控制气凝胶的粒径及孔径、密度及比表面积。用扫描电镜 (SEM )、BET等方法对其颗粒大小、密度、比表面积及孔径分布等微结构进行了分析测试。

可加工SiO_2气凝胶及其惯性约束聚变靶微柱制备

以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体,采用酸碱两步催化法制备SiO_2醇凝胶。醇凝胶分别经TEOS母液、六甲基二硅胺烷(HMDSA)处理后,采用CO_2超临界干燥法制备出密度在30～100mg/cm^3的SiO_2气凝胶。用傅立叶变换红外光谱(FTIR)对疏水性Si为_2气凝胶进行了表征,并用扫描电镜图研究了气凝胶改性前后的微观网络结构。改性后的气凝胶微观骨架变大,部分细小的网络结构消失。改性后的气凝胶在潮湿环境中具有极好的尺寸稳定性和疏水性能。用精密车床加工出了满足惯性约束聚变物理试验要求的ICF靶微柱。

溶胶-凝胶法制备惯性约束聚变靶材料研究

本文主要介绍用sol gel法制备具有纳米结构的SiO2 、TiO2 和ZrO2 材料。这些材料的孔洞率和比表面积甚高 (孔洞率为 80 %～ 99 8% ,比表面积为 10 0 0m2 /g) ,孔洞尺寸和体积密度极小 (典型的孔洞尺寸为 1～ 10 0nm ,最低体积密度为 10kg/m3 ) ;折射率n在 1 1～ 1 9范围内可调 ,并在相当大的范围具有很好的光谱选择性 ;材料的耐温特性良好 ,可耐温 5 0 0℃以上。这些结构和性能特点有可能为惯性约束聚变研究扩展了靶材料选择的范围。此外 ,就制备过程中前驱体的选择、水解度和催化剂的影响。

激光惯性约束聚变靶技术现状及其发展趋势

靶是激光惯性约束聚变(ICF)研究的物质基础,其质量的好坏对物理实验结果有极其重要的影响。靶本身的特点决定了制靶是一项极其复杂且特色鲜明的系统工程。主要介绍了国内ICF靶制备技术的现状,并对存在的问题及今后一段时期内的发展趋势作了简要说明。