美国研究称惯性聚变内爆可容忍一定不对称性

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 研究人员近期发现，面向惯性聚变能 (IFE) 的内爆设计，在性能急剧下降前可承受相当程度的缺陷。这一结果有助于未来聚变电站燃料靶设计，特别是评估靶丸在高频注入和激光驱动条件下对误差的容忍范围。

该研究的模拟结果显示了非对称内爆中聚变反应达到峰值之前瞬间的密度(上图)和温度(下图)。最热点与燃料密度最高的点重合，表明非对称性驱动下高密度燃料射流的直接点燃。该图最近被选为《等离子体物理学》杂志的封面。图片来源：劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

相关研究以“惯性聚变能相关内爆对低模不对称性的鲁棒性”为题，发表在《等离子体物理》(Physics of Plasmas) 上。研究由劳伦斯利弗莫尔国家实验室物理学家蒂莫西·约翰逊 (Timothy Johnson) 牵头，丹尼尔·凯西 (Daniel Casey)、克里斯·韦伯 (Chris Weber)、奥马尔·飓风 (Omar Hurricane)、瑞安·诺拉 (Ryan Nora) 和塞思·达维多维茨 (Seth Davidovits) 共同参与。

研究团队关注的是不对称性、燃料混合等退化机制对惯性聚变能内爆的影响。约翰逊表示，未来聚变电站需要在连续运行中稳定、可预测地产生能量。如果每次内爆因缺陷造成产额损失，发电成本也会相应上升。

与美国国家点火装置 (NIF) 上单次、精密控制的实验不同，未来聚变电站可能需要每秒发射多个燃料靶丸，并将其快速注入指定位置。在这种运行环境下，激光照射高速运动靶丸时出现小幅偏差几乎难以避免，因此需要明确内爆在受到不对称驱动时的性能边界。

研究人员利用二维辐射流体力学模拟，将国家点火装置首次实现点火所采用的设计放大为可产生约30兆焦耳能量的靶丸方案，并逐步引入可控的不对称性，即驱动辐射照射靶丸时的不均匀性，以观察内爆性能变化。

模拟结果显示，随着不对称性增加，聚变产额并非缓慢下降，而是在达到某一临界阈值前基本保持稳定。一旦超过该阈值，性能会突然下滑，靶丸无法实现点火。研究人员将这种变化形容为越过“悬崖”式边界。

约翰逊解释说，内爆中心的热点是聚变反应开始发生的高温燃料区域。不对称性会从热点中带走能量，使靶丸更早膨胀，留给点火的时间减少。若设计本身具有足够裕量，热点仍可能在靶丸解体前达到点火条件;但当裕量耗尽后，产额会迅速崩落，而不是逐步衰减。

研究还表明，产额与鲁棒性之间存在取舍关系。未来聚变电站在启动和调试阶段，可能先采用产额较低但容错能力更强的内爆方案;随着对不对称来源的识别和控制逐步改善，再切换至产额更高但容错范围较窄的设计。

约翰逊表示，真实惯性聚变能电站会引入多大程度的不对称性仍有待研究，因为这涉及旋转靶丸注入以及最高每秒10次激光发射等复杂条件。研究团队下一步将把该鲁棒性框架与国家点火装置真实内爆中已观测到的特征联系起来，包括中子图像中的亮度分布模式，并进一步评估燃料与周围靶丸材料混合时，内爆是否也具有类似的容忍能力。