激光聚变高增益靶物理设计关键挑战和研究进展OA
High-gain laser-fusion target:Physics design challenges and progress in high-compression implosions in China
2022年 12月美国国家点火装置(NIF)首次成功演示了激光聚变点火,至 2025 年底已实现 10 次点火,最高靶增益达 4.1倍,验证了利用 2 MJ左右的激光能量实现点火的物理和工程可行性.然而,从低增益点火迈向高增益聚变仍面临诸多科学和工程问题.本文系统评述了激光聚变高增益靶物理设计中的核心挑战与我国在神光 100 kJ装置上高压缩综合内爆研究方面的主要进展.在物理机理层面,揭示了高压缩内爆中多界面耦合增长的本质特征:外烧蚀面的烧蚀瑞利-泰勒不稳定性、中间物质界面的经典瑞利-泰勒不稳定性与扰动馈出机制、热斑界面的减速段耦合不稳定性,三者通过多界面耦合增长.在研究方法层面,回顾了美国 NIF从国家点火运动(NIC)受挫到高产额大半径内爆设计(HYBRID)成功的历程,提炼出内爆设计须从追求一维理论最优转向追求三维工程皮实性的核心启示,指出高增益设计面临聚变增益与内爆稳定性、内爆速度与内爆稳定性、驱动源的强度与束靶耦合效率、内爆压缩与驱动不对称性四组内禀矛盾.在原创研究层面,报道了我国神光100 kJ装置上靶物理研究和设计方面系统性进展:定位中间界面混合为主要物理瓶颈,发现扰动馈出机制,提出Atwood数调控策略,进而发展出主脉冲缓上升波形创新设计.神光 100 kJ装置的实验实现了 30 倍以上收缩比的可控内爆,证实了降熵与控混可以兼顾.研究表明,高增益靶设计的核心在于高压缩条件下多界面流体不稳定性的精准调控,我国在该方向上的创新路线为惯性聚变能源的工程可行性提供了关键的物理支撑.
The U.S.National Ignition Facility(NIF)demonstrated laser fusion ignition in December 2022,achieving ten ignitions and a record target gain of 4.1 by the end of 2025,confirming the scientific feasibility of laser fusion.Transitioning to high-gain fusion,however,remains a critical challenge.Here we review the key physics challenges and progress in high-compression implosions at the SG-100 kJ facility in China.We reveal that the essential nature of high-compression implosions is the coupled growth of hydrodynamic instabilities across three interfaces:the ablative Rayleigh-Taylor instability at the outer ablation front,the classical Rayleigh-Taylor instability and perturbation feed-out at the intermediate ablator-fuel interface,and the deceleration-phase instability at the hot-spot interface.We examine the NIF's path from the U.S.National Ignition Campaign(NIC)setback to the High Yield Big Radius Implosion Design(HYBRID)success,distilling the central lesson that implosion design must shift from pursuing the one-dimensional theoretical optimum to achieving three-dimensional engineering robustness,and identify four intrinsic contradictions:between fusion gain and implosion stability,implosion velocity and stability,drive intensity and beam-target coupling efficiency,and implosion compression and drive asymmetry.On the original research front,we report systematic advances on the SG-100 kJ facility:identifying the intermediate interface mix as the primary bottleneck,discovering the perturbation feed-out mechanism,proposing an Atwood-number tuning strategy,and developing an innovative slowly-ramped main pulse design.These experiments have achieved controlled implosions with convergence ratios exceeding 30,demonstrating that entropy reduction and mixing control can be simultaneously realized.Our findings establish that the core of high-gain target design is the precise control of multi-interface hydrodynamic instabilities under high compression,and the innovative approach pursued in China provides essential physics support for the engineering feasibility of inertial fusion energy.
王立锋;曹辉;吴俊峰;张超;闫政;张靖;雷柱;杨冬;赵宗清;邹士阳;王裴;李纪伟;张维岩;贺贤土;陈竹;晏骥;王哲斌;郝亮;王清;李志远;霍文义
北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094||北京大学 力学与工程科学学院 应用物理与技术研究中心 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室,北京 100871北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094中国工程物理研究院 激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900北京大学 力学与工程科学学院 应用物理与技术研究中心 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室,北京 100871||中国工程物理研究院 激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094||北京大学 力学与工程科学学院 应用物理与技术研究中心 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室,北京 100871北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094||北京大学 力学与工程科学学院 应用物理与技术研究中心 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室,北京 100871北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094||北京大学 力学与工程科学学院 应用物理与技术研究中心 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室,北京 100871北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094||北京大学 力学与工程科学学院 应用物理与技术研究中心 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室,北京 100871北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094中国工程物理研究院 激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900中国工程物理研究院 激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094
数理科学
激光惯性约束聚变高增益靶设计高压缩内爆流体力学不稳定性内爆驱动波形设计
laser inertial confinement fusionhigh-gain target designhigh-compression implosionhydrodynamic instabilitiesimplosion drive pulse design
《强激光与粒子束》 2026 (8)
147-161,15
国家自然科学基金项目(12588301)国家重点研发计划项目(2023YFA1608400)
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