CN112669998A

CN112669998A - 激光聚变点火靶丸

Info

Publication number: CN112669998A
Application number: CN202011442204.2A
Authority: CN
Inventors: 蓝可; 乔秀梅
Original assignee: INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS AND COMPUTATIONAL MATHEMATICS
Current assignee: INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS AND COMPUTATIONAL MATHEMATICS
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2040-12-08
Also published as: CN112669998B

Abstract

本发明实施例中公开了一种激光聚变点火靶丸，包括：氘氚气层；氘氚冰层；和烧蚀层；所述烧蚀层由至少两种烧蚀材料组合而成，且不同的烧蚀材料构成所述烧蚀层的不同层。本发明实施例中的技术方案能够提高点火的成功率。

Description

激光聚变点火靶丸

技术领域

本申请涉及能源领域，特别是一种激光聚变点火靶丸。

背景技术

在实验室里实现可控聚变，即人们常说的“人造太阳”，能带给人类取之不尽用之不竭的清洁能源，是科学家们已追逐了半个多世纪、却至今未能实现的伟大科学梦想。利用激光实现间接驱动惯性约束聚变(ICF，Inertial confinement fusion)是人们实现可控聚变的重要途径之一。在间接驱动激光聚变中，激光被以一定的角度从一个黑腔的激光注入孔注入到高Z(即高核电荷数)材料黑腔腔壁上，激光在腔壁上转换为X光，形成具有高辐照均匀度的X光辐射场，驱动并压缩位于黑腔中心的被包裹在烧蚀材料中的含有氘氚燃料的球形靶丸内爆，达到可媲美太阳中心区域的温度和压力，并将燃料约束足够长的时间后实现聚变点火、释放出足够的能量。

在典型的靶丸内爆过程中，在随时间演化的X光辐射烧蚀下，靶丸烧蚀层吸收能量后所产生的热等离子体向外膨胀，同时向内产生多个按一定原则来匹配的冲击波以便用最少的驱动能量获取最大的内爆压缩，冲击波在靶丸燃料层卸载后推动靶丸向内加速运动。当驱动源结束后，靶丸开始减速并进入阻滞阶段，将动能转换为热能且在燃料芯部形成高温、高密度热斑。在其状态达到点火条件时，热斑发生聚变核反应并产生大量高能α粒子，高能α粒子进一步点燃周围的冷燃料，使热斑达到稳定燃烧并释放能量。当靶丸所释放的能量大于驱动黑腔的激光能量时，称之为点火。我们可以把靶丸的整个内爆点火过程分为：冲击波匹配阶段、加速阶段、减速阻滞、点火燃烧等四个阶段。

黑腔中激光等离子体不稳定性(LPI)和靶丸的内爆流体不稳定性(HI)这两大不稳定性是激光聚变至今未能实现点火的两大障碍。LPI和HI使得实际聚变产额远低于一维理论设计，极大地降低了点火成功概率。通过理论设计来降低LPI和HI，是提高点火成功概率的关键。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例中提出一种激光聚变点火靶丸，用以提高点火成功概率。

本发明实施例中提出的一种激光聚变点火靶丸，包括：氘氚气层；氘氚冰层；和

烧蚀层；所述烧蚀层由至少两种烧蚀材料组合而成，且不同的烧蚀材料构成所述烧蚀层的不同层。

在一个实施方式中，所述烧蚀层包括：高密度碳(HDC)层、掺杂钨(W)的HDC层和塑料(CH)层。

在一个实施方式中，所述烧蚀层的优化组合顺序，由内向外依次为：HDC层、掺杂W的HDC层、CH层。

在一个实施方式中，所述烧蚀层按照保证辐射在冲击波匹配阶段完成对最外层CH层的烧蚀的原则确定CH层的初始厚度；按照在加速阶段烧蚀掺杂W的HDC层和HDC层的原则并根据设定的聚变产额及熵增因子需求来确定掺杂W的HDC层和HDC层的初始厚度。

在一个实施方式中，所述HDC层的初始密度为3.48g/cm³，厚度为6～8μm；所述掺杂W的HDC层的初始密度为3.5～3.6g/cm³，厚度为20～30μm；所述CH层的初始密度为1～1.05g/cm³，厚度为123～133μm。

在一个实施方式中，所述氘氚气层的初始密度为0.39～0.49mg/cm³，气体半径为891～901μm；所述氘氚冰层的初始密度为0.235～0.265g/cm³，厚度为56～62μm。

从上述方案中可以看出，在本发明实施例中由于利用不同的烧蚀材料来组合得到靶丸的烧蚀层，因此可以对各烧蚀材料的优缺点进行取长补短，充分利用各烧蚀材料的优点，从而可提高点火的成功率。

在本实施例中，与采用单一烧蚀材料的靶丸设计相比，以HDC为主的HDC-CH组合靶丸主要具有两个优势：(1)利用HDC材料的高密度，可采用较短激光脉冲，以降低LPI；(2)利用CH塑料较高的烧蚀性能以及CH/HDC界面上的反射冲击波扰动削弱机理可降低冲击波匹配阶段HI。这使得HDC-CH组合靶丸具有显著高于单一烧蚀材料靶丸的点火成功概率。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为本发明实施例中一种激光聚变点火靶丸的示例性结构图。

图2为一种HDC靶丸的结构示意图。

图3为图1中所示靶丸和图2中所示靶丸两种靶丸所对应的点火辐射驱动源波形的示意图，粗线为HDC-CH靶丸，细线为HDC靶丸相应的辐射驱动源。

图4为图1中所示靶丸和图2中所示两种靶丸的冲击波匹配图。其中左侧为HDC靶丸，右侧为HDC-CH组合靶丸。横轴为时间、纵轴为靶丸所有物质的初始位置。虚线为各种物质界面的位置，实线为烧蚀面的位置。

图5为HDC-CH组合靶丸在冲击波匹配阶段及加速阶段早期烧蚀面、CH/HDC物质界面以及HDC/DT物质界面随时间的演化。

图6A至图6C为冲击波匹配阶段两种靶丸某一时刻不同扰动模数下烧蚀层及部分DT的物质密度ρ随径向位置R及角度θ的二维分布对比图。其中，图6A和图6B分别对应HDC-CH组合靶丸在6.4ns时刻的模数24和模数64，图6C对应HDC靶丸在4.8ns的模数64。图6A和图6B中两条淡虚线之间的区域为扰动反相区。

图7为t_DT时刻两种靶丸的烧蚀面(实线)以及最外层/次外层界面上(虚线)的线性增长因子G_F随扰动模数L的谱分布示意图。其中，细线为HDC靶丸，粗线为HDC-CH组合靶丸。这里，t_DT定义为主脉冲冲击波经过HDC/DT物质界面时刻，在该时刻冲击波匹配阶段结束。

图8A和图8B为t_DT时刻两种靶丸在L＝48模扰动下靶丸中烧蚀层及部分DT的物质密度ρ随径向位置R及角度θ的二维密度分布示意图。图8A为HDC靶丸，图8B为HDC-CH组合靶丸。

图9为最大内爆速度时刻两种靶丸的烧蚀面上(图9A)与物质界面上(图9B)线性增长因子G_F随扰动模数L的谱分布示意图。其中，粗线为HDC-CH组合靶丸，细线为HDC靶丸。注意，为把两种靶丸的结果绘制在同一张图中，这里将HDC靶丸的G_F乘以0.2。

具体实施方式

本发明实施例中，考虑到在点火靶设计中，靶丸烧蚀材料的选取至关重要。目前ICF研究中常采用的烧蚀材料主要有三种：塑料(CH)、高密度碳(HDC)以及铍(Be)。

与CH和HDC相比，Be是最有效的烧蚀材料。Be具有低辐射不透明度和高密度，因此其质量烧蚀速率最高、烧蚀面稳定性能最好，在控制烧蚀面HI方面大大优于CH和HDC材料。然而，Be材料本身存在柱状晶结构，且在制靶过程中杂质氩(Ar)和氧(O)存在不均匀性，这使得Be材料表面光洁度较差，从而降低了材料力学性能和烧蚀特性。Be材料的制靶工艺至今仍是难点问题，这极大地制约了Be在点火靶设计中的应用。

在三种烧蚀材料中，CH靶丸的制靶工艺最为成熟，CH材料中没有Be的柱状晶结构，因而比Be材料要均匀得多。在美国国家点火装置(NIF)的早期点火靶设计和点火攻关战役中主要采用的是CH靶丸。不过，NIF实验所获CH靶丸的内爆性能远远低于理论预期，究其原因主要有如下两个原因。一个原因在于对含有高密度填充气体的柱形黑腔的物理理解不足，难以通过理论设计消除柱腔中辐射驱动源较强的低阶模不对称性，最终导致靶丸不能实现球形压缩，另一个原因则在于CH烧蚀材料HI发展严重，中、高阶扰动模在辐射烧蚀面剧烈增长，使得壳层破裂、烧蚀层混入热斑。采用高脚脉冲驱动后，虽然烧蚀面HI得到改善，但是牺牲了对燃料的压缩，仍然难以实现点火。

HDC靶丸目前是美国NIF点火实验中最重要的研究对象。与CH靶丸和Be靶丸相比，HDC靶丸的烧蚀材料壳层较薄，可大大缩短激光脉冲，从而可降低LPI风险；同时HDC靶丸表面光洁度更好，可降低因制靶带来的HI风险。HDC靶丸的燃料吸能最高、在辐照均匀度方面的裕量也最大。目前，NIF在采用HDC靶丸的点火实验中获得了大约55KJ的聚变能量输出，其内爆性能超过了CH靶丸和Be靶丸。这些优势使得HDC成为目前激光聚变领域点火靶设计中最受青睐的烧蚀材料。然而研究表明，与CH靶丸和Be靶丸相比，HDC靶丸在烧蚀面上却存在着HI增长最快的难题。

值得注意的是，自人类开始研究激光聚变并进行点火靶设计以来这半个世纪的时间，均只针对单一的烧蚀材料开展研究，尚无人开展组合烧蚀材料点火靶的研究。

本发明实施例中，为了充分利用HDC材料的优势，同时又解决其烧蚀面上所存在的HI发展较快的难题，考虑打破惯性思维，结合各烧蚀材料的优点，通过理论上的优化设计，采用至少两种不同烧蚀材料组合形成组合烧蚀材料靶丸，其中，不同烧蚀材料构成靶丸烧蚀层的不同层。例如，作为一个实现方式，本发明实施例中，首创HDC-CH优化组合点火靶丸设计方案，即同时采用较高初始密度的HDC材料与较低初始密度的CH材料，通过理论上的优化设计，组合形成HDC-CH组合靶丸。该HDC-CH组合靶丸由于具有CH/HDC界面，当冲击波经过该CH/HDC界面时会产生一反射冲击波，该反射冲击波会削弱对烧蚀面的扰动，因此可利用CH/HDC界面上反射冲击波对烧蚀面的扰动削弱机理来降低加速阶段开始时刻烧蚀面扰动增长幅度，从而降低加速阶段烧蚀面流体力学不稳定性，以达到提高点火成功概率的目的。此外，具体设计时，考虑该HDC-CH组合靶丸的烧蚀层以HDC为主，CH为辅，例如，该HDC-CH组合靶丸的烧蚀层由内到外可依次包括：HDC层、掺杂钨(W)的HDC层和CH层，并且可按照保证辐射在冲击波匹配阶段完成对最外层CH层的烧蚀的原则确定CH层的初始厚度；按照在加速阶段烧蚀掺杂W的HDC层和HDC层的原则并根据设定的聚变产额及熵增因子需求来确定掺杂W的HDC层和HDC层的初始厚度。然后调整辐射烧蚀波形，以保证冲击波匹配、保证HDC-CH优化组合靶丸在加速阶段的一维內爆行为相似或优于单一烧蚀材料靶丸，且一维聚变产额相当或高于单一烧蚀材料靶丸。

这样得到的HDC-CH组合靶丸较单一烧蚀材料靶丸可具有以下两个优势：(1)利用HDC材料的高密度，可采用较短激光脉冲，以降低LPI；(2)利用CH塑料较高的烧蚀性能以及CH/HDC界面上的反射冲击波扰动削弱机理可降低冲击波匹配阶段HI。因而，采用HDC-CH组合靶丸可显著提高点火概率。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例中一种激光聚变点火靶丸的示例性结构图。该示例中，以HDC-CH组合靶丸为例，靶丸一般为球形结构，图1中仅示出了其中一个扇形剖面。如图1所示，该HDC-CH组合靶丸从内到外的构成主要分为五层：分别为(1)氘氚(DT)气层；(2)DT冰层；(3)HDC层；(4)掺杂W的HDC层；以及(5)CH层。其中，掺杂W的HDC层中W与HDC的原子数量之比，即掺杂原子比为0.1％。这里，最外三层，即HDC层、掺杂W的HDC层以及CH层组成了靶丸的烧蚀层。其中，DT气体层的初始密度为0.44mg/cm³，气体半径为896μm；DT冰层的初始密度为0.25g/cm³，厚度为59μm；HDC层的初始密度为3.48g/cm³，厚度为7μm；掺杂W的HDC层的初始密度为3.52g/cm³，厚度为25μm；最外层CH层的初始密度为1.05g/cm³，厚度为128μm，外半径为1115μm。

图2为一种HDC靶丸的结构示意图。如图2所示，该HDC靶丸从内到外的构成也分为五层：(1)DT气层；(2)DT冰层；(3)HDC层；(4)掺杂W的HDC层，其中掺杂原子比为0.1％；以及(5)HDC层。其中，DT气体的初始密度为0.44mg/cm³，气体半径为896μm；DT冰层的初始密度为0.25g/cm³，厚度为59μm；HDC层的初始密度为3.48g/cm³，厚度为7μm；掺杂W的HDC层的初始密度为3.52g/cm³，厚度为22μm；最外层HDC层的初始密度为3.48g/cm³，厚度为44μm。

将图1和图2对比可以发现，与图2中的HDC靶丸相比，HDC-CH组合靶丸的掺杂HDC层的厚度比HDC靶丸中掺杂HDC层的厚度多3μm，同时将HDC靶丸的最外层HDC层换成CH层,并保证两种靶丸整个烧蚀层质量相等。这样在冲击波整形阶段辐射烧蚀具有较低密度的CH，在冲击波加速阶段辐射烧蚀具有较高密度的HDC，且HDC-CH组合靶丸在加速阶段与HDC靶丸行为相当，而冲击波整形阶段的RM不稳定性却能得到有效改善，从而可显著降低最大内爆速度时刻流体不稳定性增长的种子，大大提高点火成功概率。

下面对图1中HDC-CH组合靶丸和图2中HDC靶丸两种靶型分别从不同的方面进行对比。

首先，在本实施例中，利用基于欧拉格式的辐射多群扩散流体力学并行程序LARED-S开展HDC-CH组合靶丸与HDC靶丸的一维设计及内爆性能的研究、并开展对这两种靶丸的二维流体力学不稳定性的对比与评估。在LARED-S程序中，采用OPINCH数据库计算辐射不透明度，采用宽区状态方程(WEOS)计算状态方程。程序中考虑瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor)和里克特迈耶-梅什克夫(Richtmyer-Meshkov)两种内爆流体力学不稳定性。

图3中示出了两种靶丸所对应的点火辐射驱动源波形的示意图。本实施例中，利用LARED-S程序的一维数值模拟结果，通过冲击波匹配设计给出了两种靶丸所对应的点火辐射驱动源波形。如图3所示，每种靶丸的点火辐射驱动源波形均含三个台阶，其中第一个台阶与第二个台阶合称预脉冲，第三个台阶为主脉冲。注意，HDC-CH组合靶丸的辐射驱动源第一个台阶比HDC靶丸长约2ns，这是因为前者具有较厚的烧蚀层。HDC靶丸的第一个台阶辐射温度为129eV，而HDC-CH靶丸的第一个台阶辐射温度为112eV。模拟结果显示，尽管HDC-CH组合靶丸的预脉冲辐射温度明显低于HDC靶丸，但前者存在CH/HDC物质界面且HDC对CH的阻抗比较大，因此前者在112eV的预脉冲辐射温度下即可在HDC中产生约20Mbar的冲击波，超过了HDC的熔化所需的冲击波强度。

图4中示出了两种靶丸的冲击波匹配图对比示意图。图4中左侧为HDC靶丸，右侧为HDC-CH组合靶丸。如图4所示，对于HDC-CH组合靶丸，约4.0ns时第一个冲击波经过CH/HDC界面，并向外反射一冲击波，该反射冲击波与第二个冲击波相遇，并向外透射一冲击波；约4.8ns时该透射冲击波到达烧蚀面；约6.5ns时前两个冲击波一起在内界面卸载；约6.8ns时主脉冲产生的冲击波经过HDC/DT物质界面。定义主脉冲冲击波经过HDC/DT物质界面时刻为冲击波匹配阶段结束时刻t_DT，从此时刻开始一直到最大内爆速度时刻为加速阶段。因此，对于HDC-CH组合靶丸，冲击波匹配阶段结束时刻为t_DT＝6.8ns。对于HDC靶丸，约3ns时第一个冲击波到达HDC/DT界面，并向外反射一稀疏波；该稀疏波约3.9ns时到达烧蚀面；约4.5ns时前两个冲击波在内界面卸载；约4.8ns时主脉冲产生的冲击波经过HDC/DT界面。因此，对于HDC靶，t_DT为4.8ns。注意，与HDC靶丸相比，HDC-CH组合靶丸的冲击波匹配阶段维持时间仅延长了2ns，这表明采用HDC-CH组合靶丸后对激光波形的调整不大，仅需对预脉冲延长2ns，对总的激光能量提高不多。若采用六孔球腔球对称辐射驱动源设计，并采用球腔与靶丸半径之比为5，且激光注入孔半径与靶丸半径相等的话，则HDC-CH组合靶丸的点火辐射驱动源的第一个台阶所需激光能量约为64kJ，HDC靶丸约需46kJ，二者仅差18kJ，不到满能量1.9MJ的美国NIF装置的1％。

根据计算结果，在t_DT时刻，HDC-CH组合靶丸的CH层约95％的CH被烧掉。在图5中，给出了HDC-CH组合靶丸在冲击波匹配阶段及加速阶段早期烧蚀面、CH/HDC物质界面以及HDC/DT物质界面随时间的演化，可以看到，在冲击波匹配阶段烧蚀面均处于CH之中；在加速阶段开始后约1ns左右(即8ns左右)，CH/HDC界面开始向外飞散，该界面对后续内爆过程的影响减小。

在表1中，对比了HDC-CH组合靶丸与HDC靶丸两种点火靶丸在一维理论设计下的主要内爆性能。可以看到，在一维理论设计下，HDC-CH组合靶丸内爆速度略低、吸能略高，但二者熵增因子接近、一维聚变产额相当，因此完全满足设计的要求。不过，下面有关两种靶丸的二维流体力学不稳定性的对比及评估却表明，HDC-CH组合靶丸在控制HI发展方面具有显著优势。

模型	HDC靶丸	HDC-CH组合靶丸
			内爆速度(km/s)	417	395
熵增因子	2.37	2.32
			燃料面密度(g/cm2)	1.106	1.138
最大密度(g/cm3)	541	554
			靶丸吸能(KkJ)	190	196
烧蚀层剩余份额(％)	5.19	7.7
			聚变产额(MJ)	9.5	10

表1

进一步地，利用LARED-S程序的二维模拟结果，通过对比以下两种物理量来比较两种靶丸的HI：(1)在特征时刻、特征位置上，在不同扰动模数L下物质密度ρ随径向位置R及角度θ的二维分布；(2)在烧蚀面和物质界面上不同L的线性增长因子G_F。这里，线性增长因子G_F的定义为某时刻的扰动幅度与初始扰动幅度的比值。对于不同的扰动模数L，在角度方向的模拟区域取为赤道附近π/2±π/L。在靶丸外表面加载单模余弦扰动，初始扰动幅度为0.2μm。我们对于两种靶丸分别模拟了L＝24,32,48,64,80,100,150,200的情况。

下面，分别对比两种靶丸在冲击波匹配阶段、t_DT时刻、及加速阶段各扰动模数的扰动演化行为。

首先将冲击波匹配阶段两种靶丸中各种模数的扰动增长情况进行了对比研究。以模数L＝24和64的模拟结果为例。对于HDC靶丸，烧蚀面上两个模式的扰动随时间演化过程相似，在早期扰动随时间几乎不增长，仅当从HDC/DT界面反射回来的稀疏波到达烧蚀面后，烧蚀面上RT扰动开始增长。对于HDC-CH组合靶丸，则由于存在CH/HDC界面，其扰动增长情况则很不同。对于HDC-CH组合靶丸的CH/HDC界面，当第一个冲击波到达该界面时会引起扰动：对L＝24的低阶模，引起与烧蚀面同相位的扰动；对L＝64的较高阶模，则引起与烧蚀面反相的扰动。这里，将扰动方向相同称为扰动同相、将扰动方向的改变称为扰动反相。

图6A至图6C对比了两种靶丸在冲击波匹配阶段的某一时刻不同扰动模数下烧蚀层及部分DT的物质密度ρ随径向位置R及角度θ的二维分布。图6A和图6B分别为HDC-CH组合靶丸在6.4ns时模数L＝24、L＝64的情况；图6C为HDC靶丸在4.8ns时模数L＝64的情况。可以看到，HDC-CH组合靶丸的扰动幅度显著低于HDC靶丸，且前者存在扰动反相现象。研究结果表明，对于HDC-CH组合靶丸，由于存在CH/HDC界面，使得冲击波在经过该界面后会产生反射冲击波并由此在CH层中形成扰动反相区；该反射冲击波及扰动反相区会导致烧蚀面上的扰动被显著削弱，因此烧蚀面在经过CH/HDC界面后其扰动幅度明显降低。这也是本专利方案创新提出的反射冲击波扰动削弱机理。通过该机理，可有效削弱靶丸加速开始时刻(t_DT)烧蚀面上扰动的种子，从而降低加速阶段的内爆流体力学不稳定性，提高点火成功概率。

图7对比了t_DT时刻两种靶丸在烧蚀面上及最外层/次外层界面(对于HDC-CH组合靶丸为CH/HDC界面，对于HDC靶丸为最外非掺杂层/掺杂层界面)上扰动G_F随扰动模数L的谱分布。对于HDC靶丸，其烧蚀面上G_F峰值发生在L＝64处，为2.3；烧蚀面上G_F随模数分布的零点位置所对应模数显然大于L＝200。相比之下，HDC-CH组合靶丸的烧蚀面上G_F峰值发生在L＝24处，峰值仅为0.9；对L＝48以上的模数，G_F在零附近，且相位与初始相位相反；在所模拟的模数范围内，烧蚀面G_F随模数分布存在两个零点，分别在L＝48和L～180处。显然，与HDC靶丸相比，HDC-CH组合靶丸在降低两种界面上扰动G_F方面具有明显优势。在图8A和图8B中，我们进一步对比了两种靶丸于t_DT时刻在L＝48模扰动下烧蚀层及部分DT的物质密度ρ随径向位置r及角度θ的二维密度分布。可以看到，HDC-CH组合靶丸在其它两个界面上的扰动幅度也远小于HDC靶丸。

以上结果表明，与HDC靶丸相比，HDC-CH靶丸在冲击波匹配阶段结束时刻各阶模扰动幅度均大幅度减小，完全符合我们的物理预期。

下面可以看到，这将进一步带来HDC-CH组合靶丸在最大内爆速度时刻的各阶模扰动增长也明显低于HDC靶丸的好处。

在图9A和图9B中，我们对比了两种靶丸在最大内爆速度时刻的烧蚀面与物质界面上线性增长因子G_F随扰动模数L的谱分布。其中，图9A为烧蚀面扰动G_F随模数L的变化，图9B为物质界面扰动G_F随模数L的变化。这里，为了将两种靶丸的结果绘制在同一张图中，我们将HDC靶丸的G_F乘以0.2。可以看到，HDC-CH组合靶丸在两个界面上的扰动G_F远远低于HDC靶丸。对于HDC靶丸，其烧蚀面上扰动增长G_F峰值发生在L＝64模，约为1250。相比之下，HDC-CH组合靶丸的烧蚀面扰动G_F峰值则发生在L＝32模，约为180，比HDC靶丸下降7倍；同时，模数为64的G_F仅为124，比HDC靶丸降低一个量级。同样的，HDC-CH组合靶丸在物质界面上的扰动G_F也大幅降低。HDC靶丸中物质界面峰值扰动G_F所对应的模数在L＝48处，峰值G_F为340；而HDC-CH组合靶丸中峰值扰动所对应的模数在L＝24处，峰值G_F为54，较HDC靶丸的峰值G_F下降6倍。可见，与HDC靶相比，在最大内爆速度时刻，HDC-CH组合靶丸烧蚀面和物质界面扰动G_F均大幅度减小。

总之，利用二维数值模拟对两种靶丸的烧蚀面上HI的对比与评估表明，HDC-CH组合靶丸存在反射冲击波扰动削弱机理，这使得HDC-CH组合靶丸在最大内爆速度时刻扰动G_F较HDC靶丸明显降低。在本实施例中，HDC-CH组合靶丸在烧蚀面和物质界面上的峰值扰动G_F降低了约80％。因此，采用HDC-CH组合靶丸，可显著降低最大内爆速度时刻的HI，从而大大提高点火成功概率。

针对图3中的辐射驱动源波形，考虑到实际实验中辐射能流强度的测量误差一般为10％、辐射能流时间的确定误差一般为0.1ns，本实施中HDC-CH组合靶丸的参数具有一定误差范围：所述HDC层的初始密度为3.48g/cm³，厚度为(7±1)μm；所述掺杂W的HDC层的初始密度为(3.5-3.6)g/cm³，厚度为(25±5)μm；所述CH塑料的初始密度为(1-1.05)g/cm³，厚度为(128±5)μm。所述氘氚气层的初始密度为(0.44±0.05)mg/cm³，气体半径为(896±5)μm；所述氘氚冰层的初始密度为(0.25±0.015)g/cm³，厚度为(59±3)μm。在其他实施方式中，需根据辐射驱动源的条件进行具体设计。

基于上述分析可以得知，至少两种烧蚀材料构成的优化组合靶丸可对各烧蚀材料的缺点进行取长补短，充分发挥各烧蚀材料的作用。基于上述的描述，在其他实施方式中，也可以有其他烧蚀材料的组合，以及其他厚度的组合。例如，HDC和Be的组合，或者HDC、Be和CH三者的组合，又或者包括其他新型烧蚀材料的组合等。

上述仅列举了本发明中的几个实施例，其并不用以限制本发明。实际应用中，还可以根据本发明实施例中的描述，变换出其它的具体实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种激光聚变点火靶丸，其特征在于，包括：

氘氚气层；

氘氚冰层；和

2.根据权利要求1所述的激光聚变点火靶丸，其特征在于，所述烧蚀层包括：高密度碳HDC层、掺杂钨W的高密度碳HDC层和塑料CH层。

3.根据权利要求2所述的激光聚变点火靶丸，其特征在于，所述烧蚀层从内向外的顺序为：HDC层、掺杂W的HDC层、CH层。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的激光聚变点火靶丸，其特征在于，所述烧蚀层按照保证辐射在冲击波匹配阶段完成对最外层CH层的烧蚀的原则确定CH层的初始厚度；按照在加速阶段烧蚀掺杂W的HDC层和HDC层的原则并根据设定的聚变产额及熵增因子需求来确定掺杂W的HDC层和HDC层的初始厚度。

5.根据权利要求4所述的激光聚变点火靶丸，其特征在于，所述HDC层的初始密度为3.48g/cm³，厚度为6～8μm；

所述掺杂W的HDC层的初始密度为3.5～3.6g/cm³，厚度为20～30μm；

所述CH层的初始密度为1～1.05g/cm³，厚度为123～133μm。

6.根据权利要求5所述的激光聚变点火靶丸，其特征在于，所述氘氚气层的初始密度为0.39～0.49mg/cm³，气体半径为891～901μm；

所述氘氚冰层的初始密度为0.235～0.265g/cm³，厚度为56～62μm。