核心概念
外部磁場可以抑制熱損失,增加熱點溫度,降低點火要求,但同時也可能抑制燃燒傳播,進而影響高產能慣性聚變的實現。
研究背景
美國國家點火裝置(NIF)的實驗首次實現了慣性約束聚變(ICF)的點火,為通過燃燒傳播獲得高能量增益提供了可能性。
外部磁場主要用於減少熱損失,可以提高熱點溫度,降低點火要求,為高能量增益開闢了新的靶丸設計空間。
然而,這種對熱傳輸的限制也可能抑制燃燒傳播,而燃燒傳播是獲得高能量增益的關鍵。
研究方法
本研究使用輻射磁流體力學(MHD)代碼 Chimera,研究了預設磁場對點火和燃燒傳播的影響。
研究採用理想化的平面模型和完全整合的二維 MHD 模擬,模擬了點火 NIF 靶丸的燃燒傳播。
研究結果
理想化平面模型
確定了磁化燃燒傳播的三種機制:
熱傳導驅動
α 粒子傳輸驅動
完全抑制燃燒
低霍爾參數(ωτ)下,熱傳導輔助非局部 α 粒子加熱,將熱量傳輸到緻密燃料殼層,促進燃燒傳播。
中等 ωτ 下,熱傳導受到抑制,燃燒主要由非局部 α 粒子加熱驅動,熱點與燃燒前沿 effectively isolated。
高 ωτ 下,熱傳導和 α 粒子傳輸均受到抑制,燃燒傳播幾乎完全被抑制。
二維 MHD 模擬
模擬了 NIF N210808 實驗,施加 40T 軸向磁場,觀察到垂直於磁力線的燃燒受到抑制,而沿磁力線方向則觀察到快速燃燒。
磁場改變了內爆形狀,各向異性傳導顯著影響了停滯期間的燒蝕速率。
施加磁場後,熱點溫度和產額均有所提高,但燃燒傳播受到抑制,導致整體產額降低。
研究結論
磁場對高產能磁化慣性約束聚變的內爆動力學產生了根本性的影響。
需要進一步研究以更好地優化未來磁化靶設計,以實現高能量增益。
統計資料
NIF 實驗中使用的初始磁場強度高達 28 特斯拉。
在這個相對低產量的平台上,實驗證明了離子溫度提高了約 1 keV,聚變產量提高了 3 倍。
對於典型的 ICF 會聚比,初始軸向磁場約為 30 特斯拉,預計峰值停滯場強將超過 10 kT。
在 ICF 熱點的典型條件下,以及根據壓縮場強的估計,熱點中可能出現約 10 的峰值霍爾參數,這對應於 κ⊥/κ∥∼0.01。
對於 3.54 MeV 的 DT 聚變 α 粒子,當 B ∼5 kT 時,rαL ∼RHS ∼lαe,這意味著對於磁化 ICF 熱點中預測的場強,沉積在熱點中的 α 粒子能量比例將會增加。
模擬結果顯示,施加 40T 軸向磁場後,離子溫度和聚變產量均提高了約 30%。
然而,由於燃燒傳播受到抑制,施加磁場的案例顯示性能大幅下降(約 40%)。