Laser boron fusion reactor with picosecond petawatt block ignition
为研制功率大于30拍瓦的皮秒激光脉冲驱动的激光硼聚变反应堆，报道了介质爆炸相互作用产生等离子体块的计算进展。进一步的结果是关于直接驱动点火机制由一个单一的激光脉冲没有问题的球形照射。对于在等离子体中产生的α粒子的足够大的停止长度，可以使用来自其他项目的结果。
2017-07-29 physics.plasm-ph
A novel three-axis cylindrical hohlraum designed for inertial confinement fusion ignition
提出了一种用于间接驱动惯性约束聚变的新型点火黑腔--三轴圆柱形黑腔。TACH是一种6个激光入射孔（LEH）黑腔，由三个圆柱形黑腔正交连接而成。激光束以相同的55°入射角通过每个入射孔注入。视角因子模拟结果表明，在没有束流相位调整等辅助技术的情况下，TACH的时变驱动不对称性在整个驱动脉冲周期内不超过1.0%，其耦合效率接近相应尺寸的6个LEH球形黑腔。其等离子体填充时间接近于典型的圆柱点火黑腔。它的激光等离子体相互作用具有与圆柱形点火黑腔外锥一样低的后向散射。因此，提出的黑腔提供了一个有竞争力的候选点火黑腔。
2016-05-12 physics.plasm-ph
Ion beam requirements for fast ignition of inertial fusion targets
通过数值模拟研究了快速点火对离子束的要求，并考虑了离子束发散角等新的影响。我们假设，离子产生的TNSA计划在一个弯曲的箔内放置一个凹锥和集中在锥顶或超越。从聚焦点到压缩芯，离子以给定的发散角传播。得到了质子束和碳离子束加热两种压缩燃料构型的点火能量。分析了点火能量与束发散角和离子束聚焦点位置的关系。TNSA和准单能离子之间的比较也被示出。
2015-01-15 physics.plasm-ph
Infuence of mass ablation on ignition and burn propagation in layered fusion capsules
经过几十年的研究，最近的激光驱动惯性聚变实验表明，使用带有低温燃料层的胶囊设计实现热核点火的进展迅速。这些分层胶囊的点火物理学涉及动态形成的热点和周围致密燃料之间的复杂相互作用。使用分析理论和数值模拟，我们证明了进入热点的质量烧蚀率敏感地取决于致密燃料的温度，导致烧蚀流入比以前的估计快约4倍。这产生进入热点的焓通量，其在控制热点温度、点火阈值和随后的燃烧传播中起关键作用。质量烧蚀对点火阈值的净影响由取决于致密燃料温度的无量纲参数调节。因此，点火阈值对任何加热致密燃料的机制都很敏感，例如从热点发射的中子或辐射。这些预测证实了使用辐射流体动力学模拟一系列胶囊点火条件附近。这种分析可能与理解最近实验的可变性能和指导新的胶囊设计朝向更高的聚变产额有关。
2023-01-03 physics.plasm-ph
Optimization of Laser Irradiation Uniformity for the Double-Cone Ignition Scheme with MULTI-3D simulations
School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学物理与天文学院）；Zhiyuan College, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学致远学院）；State Key Laboratory of Dark Matter Physics, Key Laboratory for Laser Plasmas (MOE), Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学暗物质物理国家重点实验室、激光等离子体教育部重点实验室）；E.T.S.I. Aeronautica y del Espacio, Universidad Politecnica de Madrid（马德里理工大学航空航天工程学院）
本文通过MULTI-3D模拟研究双锥点火方案中激光辐照均匀性优化，采用贝叶斯优化确定激光入射位置，实现辐照非均匀度低于5%的方案，为实验提供参考并为其他激光聚变方案提供见解。
2026-03-28 physics.plasm-ph
Picosecond-petawatt laser-block ignition of avalanche boron fusion by ultrahigh acceleration and ultrahigh magnetic fields
氢（质子）与硼同位素11（HB 11）反应产生的聚变能量产生三个稳定的氦核，与DT聚变相比没有核辐射问题。但是，由纳秒激光脉冲驱动的HB 11反应具有热压缩和激光点燃是极其困难的。当用皮秒激光脉冲照射产生具有100倍加速的非热等离子体块点火时，这一点发生了根本性的变化。这使用非线性（有质动力）力，即使在二元反应的悲观假设下，也令人惊讶地产生与DT融合相同的阈值。在评估了由千特斯拉磁场捕获的圆柱形反应之后，并使用测量到的高度增加的HB 11聚变增益来证明次级反应中三个α的雪崩，得出了以具有竞争力的成本获得绝对清洁能源的可能性的结论。
2015-10-26 physics.plasm-ph
Collisionless shock acceleration in the corona of an inertial confinement fusion pellet with possible application to ion fast ignition
采用二维Particle-In-Cell模拟方法研究了惯性约束聚变弹丸压缩核芯周围电晕等离子体中的无碰撞激波加速。我们表明，强激光脉冲与长尺度等离子体电晕相互作用能够在临界密度附近发射无碰撞冲击。该非线性波通过等离子体反射并加速背景离子而向上传播。我们的研究结果表明，质子的特性适合于离子快点火可以通过这种方式实现。
2020-11-02 physics.plasm-ph
Fast Ignition Laser Fusion Using In-Situ Ion Acceleration With Pulsed CO2 Lasers
快速点火是激光聚变的另一种概念，其中将聚变芯块压缩到超固体密度的任务由传统的高能纳秒玻璃激光器完成，而点燃压缩芯块的任务由高强度、中等能量的皮秒源完成，该皮秒源可以使芯块燃烧在这封信中，我们提出了一种概念性的方法，通过这种方法，从二氧化碳中产生的能量（$ CO_2 $）激光器可耦合以加热在等离子体中原位产生的离子，这又产生所需的热点。因此，有效地将$ CO_2 $能量转换成离子束能量可以为快速点火激光聚变提供所需的能量来源。我们证明，通过使用PIC（Particle-In- Cell）模拟，在非均匀等离子体中，在横向方向上使用几个千特斯拉的外部磁场，其中截止之后是共振，可以导致激光能量耦合到较低的混合离子等离子体共振。然后，离子通过较低混合波的破碎而被有效地加速（$\sim 1 MeV$），从而使得能够以方便的方式通过离子快速点燃。
2018-04-20 physics.plasm-ph
Laser-plasma interactions for fast ignition
在惯性约束聚变的电子驱动快速点火方法中，需要petawatt激光脉冲来产生MeV电子，这些电子在内爆DT壳的压缩核中沉积数十千焦。本文综述了与快速点火有关的强激光等离子体相互作用（LPI）的研究进展。计算和建模能力的提高，以及算法的发展，导致我们在相关尺度上进行LPI的多维粒子模拟（PIC）的能力增强。我们讨论的物理相互作用的激光吸收分数，激光产生的电子光谱，发散，和它们的时间演化。缩放与照射条件，如激光强度被认为是，以及对等离子体参数的依赖。不同的数值建模方法和配置进行了处理，提供了一个概述的建模能力和局限性。此外，我们讨论了模拟结果与实验观测值的比较。特别是，我们解决的问题，今天的实验的全面快速点火问题的替代品。
2013-08-12 physics.plasm-ph
Indirect-direct hybrid-drive work-dominated hotspot ignition for inertial confinement fusion
提出了一种间接-直接混合驱动功主导的惯性约束聚变热点点火方案：在具有八面体对称性的球形黑腔中，分层燃料包首先被间接驱动软X射线（辐射）压缩，然后在最后一个脉冲持续时间内被直接驱动激光压缩。在该方案中，直接驱动激光器驱动一个增强激波和一个后续压缩波，用于远大于辐射烧蚀压力的点火，并向热点提供大的pdV功，以实现功主导点火。数值模拟表明，增强激波阻止了间接驱动激波在主燃料-热点界面的反射，从而显著抑制了流体动力学不稳定性和非对称性。基于间接驱动的内爆动力学，热点被增强激波和后续压缩波进一步压缩和加热，导致以功为主的热点点火和燃烧，最大内爆速度约为400 km/s，收敛比约为25。用1.32 MJ的激光总能量实现了15 MJ的聚变产额。
2015-03-31 physics.plasm-ph
Three-dimensional fast electron transport for ignition-scale inertial fusion capsules
采用三维混合粒子模拟方法研究了全尺寸快点火结构中电子能量的输运和沉积。当注入少量GA、PW束流时，在点火附近出现多束芯加热现象。电晕中的电阻性束流产生穿透核心的3D电流图案。欧姆加热在低密度日冕中很重要，而经典的库仑沉积加热核心。在此，在高于200 g/cc的密度下观察到最高的能量密度（在10 keV下几Tbar）。能量耦合到核心的范围从20%到30%，它是增强的光束准直和降低时，提高束粒子能量从1.5到5.5兆电子伏。
2006-11-11 physics.plasm-ph
Volume Ignition via Time-like Detonation in Pellet Fusion
利用相对论流体动力学和相对论爆轰波阵面理论，对激光驱动弹丸聚变实验中氘氚燃料燃烧的时空动力学进行了估算。燃料的初始“高脚”加热使压缩的目标对辐射透明，然后快速点火脉冲可以穿透并在短时间内将整个目标加热到超临界温度，因此目标的大部分内部几乎同时点火，不稳定性将没有时间发展。在这些相对论性的辐射主导过程中，内部的类时燃烧锋和周围的类空燃烧锋都是稳定的，不受瑞利-泰勒不稳定性的影响。为了实现这种快速的体积点火，将目标加热到超临界温度的脉冲应该在小于约10 ps内提供所需的能量。
2015-03-11 physics.plasm-ph
Foam Au driven by 4$ω$ - 2$ω$ ignition laser pulse for inertial confinement fusion
绿光（2 $ω$）具有以比蓝光（3 $ω$）显著更多的能量驱动用于激光聚变的点火靶的潜力，并且对于最终光学组件中的光学部件具有相对较高的损伤阈值，但是与3 $ω$相比，绿光具有相对低的激光到X射线转换效率和硬X射线光谱的问题。在本文中，我们建议通过在预脉冲处采用4个$ω$激光，在主脉冲处采用2个$ω$激光（称为4个$ω$ - 2个$ω$点火脉冲），用点火激光脉冲驱动泡沫空腔壁。这种新颖的设计具有以下优点：（1）在主脉冲期间受益于其相对高的能量输出和低损伤阈值的2 $ω$，（2）在再发射中受益于其相对高的激光到X射线转换效率和相对低的M带分数的泡沫，（3）在预脉冲期间受益于其低LPI的4 $ω$。从我们的利用Au材料的1D模拟，与由具有相同脉冲形状的3 $ω$驱动的固体靶相比，由4个$ω$ - 2个$ω$脉冲驱动的泡沫中的激光到X射线转换具有$28\%$的增加。泡沫的相对薄的光学深度是泡沫靶内激光到X射线转换效率增加的主要原因之一。
2017-04-01 physics.plasm-ph
Inflationary stimulated Raman scattering in shock-ignition plasmas
在激波点火惯性约束聚变方案中，高强度激光通过不均匀的日冕等离子体传播，驱动设计用于引起燃料点火的激波。在高强度点火激光脉冲作用下，长尺度日冕等离子体中的SRS后向散射很可能处于动力学状态。在这项工作中，我们使用一维粒子模拟细胞显示，有一个非线性的动力学效应引起的频移，导致受激拉曼散射（SRS）在非均匀等离子体的增长远远超过流体理论的预测，所谓的膨胀SRS或iSRS。我们发现，iSRS发生在一个广泛的密度标度长度相关的冲击点火和其他直接驱动的惯性约束聚变计划。冲击点火等离子体中iSRS的存在对冲击点火惯性约束聚变的理论收益具有影响。在这里，我们量化的强度阈值为冲击点火相关参数的iSRS的发病。
2020-11-24 physics.plasm-ph
Comments on "Volume ignition of mixed fuel" by H. Ruhl and G. Korn (Marvel Fusion, Munich)
本文针对Ruhl和Korn提出的混合燃料体点火结论，指出其聚变能量沉积假设不当，高硼燃料的轫致辐射损失会阻碍点火，且其辐射约束方案中被忽略的辐射能量将远超等离子体热能、主导点火需求。
2023-05-02 physics.plasm-ph
A new ignition scheme using hybrid indirect-direct drive for inertial confinement fusion
提出了一种新的惯性约束聚变间接-直接驱动混合点火方案：首先用间接驱动x射线对称压缩封闭在黑腔中的低温密封舱，然后用直接驱动激光和x射线加速并点火。一个稳定的高密度平台之间新形成的辐射和电子烧蚀前沿抑制在辐射烧蚀前沿的稀疏，大大提高了驱动压力。同时，在燃料/热点界面处的多次激波反射在密封舱减速期间被防止。从而实现快速点火和燃烧。与传统的间接驱动相比，混合驱动以更高的速度（$\sim4.3\times10^7$ cm/s）和低得多的收敛比（$\sim$ 25）使密封舱内爆，并且流体动力学不稳定性的增长显著减少，特别是在燃料/热点界面处。
2013-03-06 physics.plasm-ph
Fusion alpha particle momentum deposition in thermonuclear burn dynamics
本文通过辐射流体力学模拟发现聚变α粒子动量沉积会加速壳层、降低热斑压缩和产额，在NIF尺度下产额降低约30%，表明该效应必须纳入点火判据和燃烧模型。
2025-11-08 physics.plasm-ph
Pure Nuclear Fusion Bomb Propulsion
最近在热核微爆炸的非裂变点火方面取得的进展，使人们有可能重新提出核弹推进设想，以便在太阳系内快速运输大型有效载荷，并在不向大气层释放裂变产物的情况下将其发射到地球轨道。为了实现这一目标，三个领域的研究是重要的：1）紧凑的热核点火驱动器。2)快速点火和氘燃烧。3）涉及磁绝缘和GeV静电势的航天器结构
2008-03-25 physics.plasm-ph
Improving hot-spot pressure for ignition in high-adiabat Inertial Confinement Fusion implosion
提出了一种用于提高惯性约束聚变内爆热点压力的新型胶囊靶设计方案。这个设计是基于我们的理论发现的停滞标度律，这表明，热点压力可以通过增加动能密度$ρ_d V_{imp}^2/2$（$ρ_d$是壳密度时，达到最大壳速度，$V_{imp}$是内爆速度。）的shell。提出的设计使用高密度推杆来提高壳体密度$ρ_d$，从而改善热点压力。结果表明，该设计在短脉冲双激波作用下，即使在高爆轰下，热点压力也能达到点火要求。该设计有望同时克服实现点火的两个主要障碍--烧蚀不稳定性和激光等离子体不稳定性。
2017-02-18 physics.plasm-ph
Avalanche boron fusion by laser picosecond block ignition with magnetic trapping for clean and economic reactor
在对轻氢质子与硼同位素11聚变（硼聚变HB 11）的理想能源进行了很长时间的考虑之后，通过激光对非常高的反应增益进行的最初两次独立测量基本上打开了一个根本性的突破。非热等离子体块点火具有皮秒持续时间的超过数皮瓦的极高功率激光脉冲与高达十千特斯拉的用于捕获的磁场的组合，必须组合使用测量的高增益作为雪崩反应的证据，用于环境清洁、低成本和持久的能源作为对抗全球变暖的潜在选择。独特的HB11雪崩反应是基于氦核（α粒子）的弹性碰撞，仅限于在非常短的时间内在非常小的体积内控制聚变能量的反应堆。
2016-03-04 physics.plasm-ph
Ignition threshold for non-Maxwellian plasmas
光学薄的$p$ - $^{11}$ B等离子体在韧致辐射中损失的能量比从聚变反应中获得的能量要多，除非离子温度可以升高到电子温度以上。在热等离子体中，所需的温度差在小库仑对数范围内是可能的，其特征在于高密度和低温。计算了热$p$ - $^{11}$ B等离子体的最小Lawson判据和ICF体积点火所需的最小$ρR$。如果能用非热离子分布改善聚变反应性，点火将更容易实现。为了建立一个上限，这个效用，我们考虑一个单能束粒子能量的选择，以最大限度地提高束热反应性。释放聚变α能量以保持这样的束有利于在较低密度和$ρR$下点火，提高恒定压力下的反应性，并且可以用于去除氦灰。因此，实现与光束的增益建立一个上限的点火阈值，可以实现与任何非热分布的减少，这些$p$ - $^{11}$ B和DT等离子体进行评估。
2015-09-09 physics.plasm-ph
Indirect-Drive Fusion Target Design for Commercial Fusion Energy
Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Inertia Enterprises
本文基于NIF验证的间接驱动点火物理，提出10 MJ激光驱动的商业聚变靶缩放设计，实现高增益（26-43）和高产额（265-427 MJ），并解决可扩展性、制造及对称性控制等关键问题。
2026-09-18 physics.plasm-ph
Comparison of the Recently proposed Super Marx Generator Approach to Thermonuclear Ignition with the DT Laser Fusion-Fission Hybrid Concept by the Lawrence Livermore National Laboratory
最近提出的超级马克思发生器纯氘微爆轰点火概念与劳伦斯利弗莫尔国家点火设施（NIF）激光DT聚变-裂变混合概念（LiFE）[1]进行了比较。在超级马克思发生器中，大量的普通马克思发生器为更大的第二级超高压马克思发生器充电，可以从中提取用于点燃纯氘微爆炸的强烈GeV离子束。LiFE概念的一个典型例子是聚变增益为30，裂变增益为10，总增益为300，与聚变相比，释放到裂变中的能量约为10倍。这意味着大量的裂变产物的释放，如在无聚变的纯裂变反应堆中。在纯氘微爆轰点火的超级马克思方法中，理论上可以达到相同幅度的增益[2]。如果可行的话，超级马克思发生器氘点火方法将使激光作为热核微爆炸的点火手段过时。
2009-02-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Effects of alpha stopping power modelling on the ignition threshold in a directly-driven Inertial Confinement Fusion capsule
α粒子能量沉积机制改变了氘氚热核聚变反应的点火条件，是实现惯性约束聚变内爆高增益的关键。本文用Multi-IFE [R. Ramis和J. Meyer-ter-Vehn，Comp.Phys.Comm.203，226（2016）]，以模拟由激光束直接照射的胶囊的内爆。α能量沉积的扩散近似已被用来优化对应于不同的内爆速度的三个激光轮廓。在Multi-IFE中已经包括了Monte-Carlo包来计算α能量传输，并且在这种情况下，能量沉积使用LP [C.K. Li和R. D. Petrasso，Phys. Rev. Lett. 70，3059（1993）]和BPS [L.S.布朗，D.L. Preston和R.L.小辛格尔顿，410，237（2005）]停止功率模型。保持恒定内爆速度的位似变换已被用来绘制边缘点火和高增益配置之间的过渡区。由两个模型提供的结果进行了比较，发现-接近点火阈值-为了产生相同的聚变能量，与BPS模型进行的计算需要约10%以上的投资能量相对于LP模型。
2017-02-24 physics.plasm-ph
A global simulation for laser driven MeV electrons in $50μm$-diameter fast ignition targets
本文采用2.5维粒子模拟方法，对皮秒激光脉冲与直径为50- $μm$、临界密度为40的等离子体小球相互作用进行了数值模拟。高密度小球被低密度电晕包围，并通过真空区域与模拟箱边界隔离。激光脉冲被示出为细丝，并在激光-等离子体界面上产生密度通道。密度通道增加了激光吸收效率，并有助于产生具有大角度扩展的高能电子分布。前向高能电子和感应返回电子的组合分布对电流丝不稳定性来说是边缘不稳定的。离子在中和由不同电子基团之间的温度差异引起的空间电荷中起重要作用。没有全球合并的电流丝导致的不稳定性观察，与观察到的高能电子的大角度扩展。
2006-01-25 physics.plasm-ph
Integrated simulation of magnetic-field-assist fast ignition laser fusion
为了提高快点火激光聚变堆芯的加热效率，通过对FIREX类靶的综合模拟，对相对论电子束外磁场导引的概念进行了评估。对于锥壳靶，由于内爆形成的磁镜使靶芯变形，大部分快电子被反射，因此施加磁场会降低靶芯的加热性能。另一方面，在附加锥形实心球靶的情况下，内爆在千特斯拉级磁场作用下更稳定。此外，通过内爆形成了可行的磁场位形。结果表明，磁导向可使磁芯加热效率提高一倍。研究了实心球靶的堆芯加热特性与加热脉冲发射定时的关系。
2016-08-19 physics.plasm-ph
Pump-Depletion Dynamics and Saturation of Stimulated Brillouin Scattering in Shock Ignition Relevant Experiments
作为一种可替代的惯性约束聚变方案，冲击点火具有预期的高能量增益和更鲁棒的设计，需要由在末端具有高强度尖峰的成形脉冲驱动的强会聚冲击来点燃预压缩的聚变舱。了解冲击波点火条件下的非线性激光等离子体不稳定性对评估和改善激光冲击波能量耦合至关重要。最近在OMEGA-EP激光设备上进行的实验首次证明，这种不稳定性可以使高强度激光泵浦的前0.5 ns耗尽$\sim$ 100\%。对所观察到的激光产生的冲击波的分析表明，这种泵浦耗尽开始于0.01- 0.02临界密度，并发展到0.1- 0.2临界密度。这种泵浦损耗也被时间分辨的受激拉曼背散射光谱所证实。抽运损耗的动力学可以用受激布里渊散射中离子声波的破碎来解释。这种强泵浦耗尽将抑制碰撞激光能量吸收，但可能有利于产生具有用于电子冲击点火的中等温度的热电子[Shang等人，Phys. Rev. Lett. 119 195001（2017）]。
2019-08-30 physics.plasm-ph
Pump depletion and hot electron generation in long density scale length plasma with shock ignition high intensity laser
在激光强度为$10^{16} W/cm^2$，等离子体密度范围为0.01-0.28 $n_c$，尺度长度为$230 -330 μm$的情况下，对激光等离子体相互作用的二维粒子模拟表明，在低密度区（$n_e=0.01-0.2 n_c$），由于受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS），激光能量的泵浦损耗很大。模拟确定了在低密度区域中由SRS产生的具有中等能量的热电子和在$n_e=0.25n_c$附近由两个等离子体衰变（TPD）产生的具有较高能量的热电子。总的热电子温度（46 keV）和转换效率（3%）与实验测量一致。模拟还表明，人为地减少SBS将导致更强的SRS和更软的热电子谱。
2019-11-26 physics.plasm-ph
Ultrafast ignition with relativistic shock waves induced by high power lasers
在本文中，我们考虑激光强度大于$10^{16} W/cm^2$的烧蚀压力是可以忽略的辐射压力相比。辐射压力是由有质动力引起的，主要作用于与离子分离的电子以产生双层（DL）。这个DL被加速进入目标，就像一个活塞，以这样一种方式推动物质，从而产生冲击波。在这里，我们讨论两个新颖的想法。第一个是相对论和非相对论激光诱导冲击波之间的过渡区。我们的解决方案是基于相对论流体力学也为上述过渡域。计算了相对论冲击波参数，如压缩、压力、冲击波和粒子流速度、压缩靶中的声速和稀疏波速度以及温度。其次，我们想使用这个过渡域的冲击波诱导超快点火的预压缩目标。计算了用于这些目的的激光参数，并描述了该方案的主要优点。如果这个计划成功的话，一种新的大量能源就可能成为可行的。
2014-06-03 physics.plasm-ph
Observation and modelling of Stimulated Raman Scattering driven by an optically smoothed laser beam in experimental conditions relevant for Shock Ignition
我们报告了在TAW Vulcan激光装置上进行的一项实验的结果和模型，该实验的目的是研究在对惯性约束聚变的冲击点火方案感兴趣的条件下的激光-等离子体相互作用，即高于10^16 W/cm 2的激光强度撞击热的（T > 1 keV）、不均匀的和长尺度长度的预成型等离子体。测量结果表明，一个显着的SRS背散射（4 - 20%的激光能量）驱动在低等离子体密度和TPD/SRS驱动在四分之一临界密度区域没有签名。结果令人满意地再现的分析模型占对流SRS增长在独立的激光散斑，在反射率占主导地位的条件下，从最强烈的散斑，SRS得到饱和的贡献。分析和动力学模拟再现SRS的发病率在低等离子体密度的制度强烈影响的非线性朗道阻尼和最强烈的激光散斑的反射。在较高的密度下TPD/SRS的缺乏被解释为泵浦耗尽和由双折射驱动的等离子体平滑。在低密度分布的激光耦合的流行证明了低温测量的热电子（7 - 12千电子伏），以及再现的数值模拟。
2021-08-30 physics.plasm-ph
Kinetic simulations of fusion ignition with hot-spot ablator mix
当来自密封舱烧蚀剂的碳混合到热点中时，惯性约束聚变燃料遭受增加的X射线辐射损失。在这里，我们提出了一个和两个维度的离子伏拉索夫-福克-普朗克模拟解决热点自加热的存在下，一个本地化的尖峰碳混合物，共1.9%的热点质量。混合区在几十皮秒内冷却和收缩，增加了它的α粒子阻止能力和辐射损失。这使得局部混合区域比等量均匀分布的混合更严重。还有一个纯粹的动力学效应，使聚变反应性降低了几个百分点，因为分布尾部的更快离子被混合区吸收。辐射冷却和尖峰的收缩引起流体运动，导致中子谱展宽。这人为地增加了推断的实验离子温度，并给出了视线变化。
2019-08-15 physics.plasm-ph
Control of energy spectra and enhancement of energy conversion of fast electrons generated by dual-color picosecond lasers
本研究通过二维粒子模拟发现，双色调皮秒激光注入方案能显著提高快电子能量转移率并提升能谱，机制涉及低密度区纵向电场调制和临界面微通道的电磁感应透明过程，可应用于快点火方案及超热电子实验设计。
2023-11-20 physics.plasm-ph
Integrated simulation approach for laser-driven fast ignition
提出了一种完全基于PIC（Particle-in-Cell）模型的集成模拟方法，该方法既考虑了激光与固体密度等离子体相互作用产生的快速粒子，又考虑了粒子在极高密度等离子体中的输运和能量沉积。它是通过在模拟中引入两个独立的系统来实现的，其中快速粒子生成由完整的PIC系统模拟，并且传输和能量沉积由具有简化场求解器的第二PIC系统计算。在全PIC系统中产生的快粒子数据被实时复制到简化PIC系统中作为快粒子源。与两区域方法不同，该方法分别在两个等离子体密度区域中采用单个PIC系统和两个场求解器，本方法不需要匹配场求解器，因为在两个系统中分别采用的简化场求解器和完全求解器是独立的。仿真算例表明，该方法可用于快速点火与真实目标密度的集成仿真。
2015-01-09 physics.plasm-ph
Pump depletion and the Raman gap in ignition-scale plasmas
本研究利用二维 Particle-in-Cell 模拟结合 PP 与 SP 激光，揭示直接驱动惯性约束聚变点火条件下受激拉曼侧向散射导致泵浦耗尽及拉曼光谱间隙的机制。
2024-09-08 physics.plasm-ph
A new ignition hohlraum design for indirect-drive inertial confinement fusion
本文提出了一种六圆柱孔的黑腔结构，用于在密封舱上提供高对称性的通量。它的设计目的是在间接驱动惯性约束聚变中点燃半径为1.2毫米的密封舱。采用三维视角因子法和激光能量平衡法计算了黑腔中的通量对称性和激光能量。基于二维辐射流体动力学模拟，分析了等离子体条件。在适当的靶参数下，当激光入射孔和光斑的影响相互抵消时，六圆柱孔黑腔中不存在Ylm（l<=4）不对称性。当激光能量为2.3MJ，峰值功率为500TW时，可获得300eV的辐射驱动，并具有良好的通量对称性。模拟结果表明，与国家点火装置（NIF）黑腔外锥的情况相似，激光锥壁的电子温度较高，电子密度较低。激光强度也与NIF外锥一样低。因此，由于激光等离子体相互作用（LPI）的后向散射被认为是可以忽略的。在激光能量可接受的条件下，六端口圆柱形黑腔与传统的圆柱形和八面体黑腔相比，具有更高的对称性和更低的后向散射。据认为，黑腔将增加ICF方法的多样性。
2016-06-02 physics.plasm-ph
Reactor for boron fusion with picosecond ultrahigh power laser pulses and ultrahigh magnetic field trapping
与氘氚聚变相比，质子与11B的环境清洁聚变是极其困难的。当用皮秒脉冲代替纳秒激光脉冲进行热烧蚀驱动点火时，非线性引起的剧烈变化导致等离子体块的加速。这从根本上改变了经济的硼聚变测量新的雪崩点火。
2015-11-05 physics.plasm-ph
Hybrid-drive pressure suppressing implosion instabilities and offering nonstagnation hotspot ignition with low convergence ratio for high-gain inertial fusion
在激光驱动ICF中，直接驱动和间接驱动相结合的混合驱动（HD）提供了一个平滑的HD压力$P_{HD}$，远高于ID和DD中的烧蚀压力，以抑制流体动力学不稳定性。在这封信中，一个新的强大的HD点火目标的模拟表明，最大HD压力高达$P_{HD} \sim$ 650毫巴的驱动下，一种新的“推土机”效应实现，导致非停滞热点点火的收敛比$C_r \sim $ 23，最后，聚变能量增益$\sim$ 10的总激光能量= 1.42兆焦耳。二维模拟已经证实，流体动力学不稳定性被抑制。从不同靶和激光能量的模拟中发现，只要$T_r> 160$ eV，最大HD压力$P_{HD}$（Mbar）= $BE_{DD}^{1/4} T_r$的拟合尺度，其中B是取决于烧蚀材料的常数，以kJ为单位的$E_{DD}$是DD激光能量，以100 eV为单位的$T_r$是取决于ID激光能量$E_{ID}$的辐射温度。热点点火要求$P_{HD}\geq$ 450 Mbar。当$E_{DD}$降低到kJ时，也可以使用“推土机”效应的这种比例。实验证明，对于CH烧蚀体，$P_{HD}$约为3.5倍的辐射烧蚀压力，$E_{ID}=43$ kJ（$T_r \simeq$ 200 eV）和$E_{DD}$ =3.6 kJ，DD激光强度$\sim 1.8 \times 10^{15} {\rm w\cdot cm^{-2}}$的背散射分数…
2020-11-18 physics.plasm-ph
Enhancement to Fusion Reactivity in Sheared Flows
本文研究剪切流对聚变反应性的增强效应，指出在非磁化等离子体中流动梯度与离子平均自由程相当时反应性可提高一倍以上，并阐明其对惯性约束聚变和快点火中能量节省与更小热斑点火的贡献。
2025-06-03 physics.plasm-ph
Long-Pulse Fast Ignition in MagLIF
Princeton University（普林斯顿大学）
MagLIF通过其几何结构和磁场缓解了快速点火的工程限制，提高了其在惯性约束聚变中的可行性。
2026-02-13 physics.plasm-ph
Improved Ion Heating in Fast Ignition by Pulse Shaping
针对惯性聚变快点火中恒功率点火器脉冲电子-离子能量耦合效率低的问题，提出解析形式的新型脉冲形状以最大化离子加热，推导了仅电子加热的最高离子温界限，可减小热斑、提升增益，典型条件下点火能量降低超20%。
2023-10-08 physics.plasm-ph
Elliptical Magnetic Mirror generated via Resistivity Gradients for Fast Ignition ICF
Schmitz（H.Schmitz et al.，{ \it Plasma Phys.Control.Fusion}，{ \bf 54} 085016（2012））研究了更接近全尺寸快速点火的多kJ尺度条件。当按比例放大时，椭圆镜方案仍然非常有利于快速点火。在较宽的快电子发散角半角范围内，耦合效率增加3- 4倍。
2013-03-13 physics.plasm-ph
Charged Particle Stopping Power Effects on Ignition: Some Results from an Exact Calculation
Brown、Preston和Singleton（BPS）最近对带电粒子阻止能进行了完全严格的第一性原理计算。这种计算是精确的领导和次领导秩序的等离子体数密度，包括两体量子散射的精确处理。因此，BPS计算是非常准确的等离子体制度期间实现的点火和燃烧的惯性约束聚变胶囊。对于氘-氚聚变，3.5 MeV的α粒子范围往往比文献中大多数模型预测的要长20-30%，并且沉积到离子中的能量往往更小。初步的数值模拟表明，这增加了实现点火所需的ρ-R。
2008-02-21 physics.plasm-ph
Nonlinear Fluid Simulation Study of Stimulated Raman and Brillouin Scatterings in Shock Ignition
采用多流体等离子体模型结合全电磁波方程组，开发了一个新的非线性流体激光等离子体不稳定性程序（FLAME）。完成的一维（1D）版本的火焰被用来研究在冲击点火的激光等离子体不稳定性。模拟结果表明，在四分之一临界面附近，受朗缪尔波衰减不稳定性（LDI）和抽运损耗的影响，绝对SRS模达到饱和。激光多普勒电离产生的离子声波作为受激布里渊散射（SBS）的种子，表现出猝发模式并引起强烈的泵浦损耗。在高温情况下，还观察到SRS在1/16临界表面处的再散射。这些结果与相应的Particle-in-Cell模拟基本一致。
2017-03-30 physics.plasm-ph
Ion kinetic effects on the ignition and burn of ICF targets
本文在离子动力学水平上研究了惯性约束聚变芯块中热核燃料的流体力学和燃烧。分析是基于一个双速度尺度的弗拉索夫-福克-普朗克动力学模型，该模型是专门为处理聚变产物（超热α粒子）在一个自洽的方式与热体。该模型假定位形空间为球对称，速度空间为轴对称。与采用多群扩散方案模拟α输运的流体模拟相比，全离子动力学方法揭示了高能$α$ -粒子输运的显著非局域效应。这对燃烧过程中的流体动力学空间分布有直接影响：热点反应性降低，而内部致密燃料层被逃逸的α-超热粒子预热，这些粒子被输送到热点之外。我们展示了融合产物的动力学运输增强如何导致融合产率的显着降低。
2014-09-08 physics.plasm-ph
Wave-Supported Hybrid Fast-Thermal p-$^{11}$B Fusion
如果来自聚变产生的$α$粒子的能量被引导到快质子，但是在其中大部分质子被热分布的环境中，则质子-硼$^{11}$等离子体中聚变点火的可能性大大增强。热核聚变和束-等离子体聚变的这种混合体提供了令人惊讶的巨大优势，无论是纯粹的热核聚变还是纯粹的束-等离子体聚变，它们本身都不能明显超过质子-硼$^{11}$等离子体发射的大韧致辐射。混合方案有可能减少约束时间的反应物，需要实现点火的数量级。
2022-12-02 physics.plasm-ph
Three dimensional filamentary structures of a relativistic electron beam in Fast Ignition plasmas
用三维粒子模拟方法研究了快点火聚变中相对论电子束的结构和电磁场。模拟明确地包括返回等离子体电流中的碰撞，并清楚地研究了束流温度和碰撞对所产生的晶体结构生长的影响。
2008-11-13 physics.plasm-ph
Theory of Fast Electron Transport for Fast Ignition
快速点火惯性约束聚变是惯性聚变的一种变体，其中DT燃料首先被压缩到高密度，然后被快速（< 20 ps）超强激光脉冲产生的相对论电子束点燃，该脉冲通常通过包含重入锥体进入稠密等离子体。该束从锥顶到致密燃料的传输是该方案的关键部分，因为它可以强烈影响整体能量学。本文综述了快速点火背景下快速电子输运的理论和数值模拟研究进展。基本等离子体物理的重要方面，所使用的数值方法的描述，点火规模的模拟审查，并调查计划控制快速电子的传播。在这一领域已经取得了相当大的进展，但发展一个强大的，高增益FI“点设计”仍然是一个持续的挑战。
2013-04-03 physics.plasm-ph
Hole boring in a DT pellet and fast ion ignition with ultra-intense laser pulses
最近实现的高强度短激光脉冲在其应用于非均匀过密等离子体中的钻孔和预压缩DT聚变靶中的点火方面开辟了新的前景。一个简单的分析模型和数值模拟表明，强度超过1022 W/cm 2的脉冲可以深入穿透到等离子体中作为一个有效的有质动力加速的离子在向前的方向。高达数百微米的穿透深度取决于激光能量密度，其必须超过几十GJ/cm 2。在通道底部加速的快离子效率超过20%，具有很高的方向性，可以将预压缩的靶芯加热到聚变条件。
2009-03-22 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Magnetized Fast Isochoric Laser Heating for Efficient Creation of Ultra-High-Energy-Density States
对惯性约束聚变（ICF）点火的追求是一个巨大的挑战，特别是大型激光设施。利用高强度短脉冲激光对预压缩等离子体核心进行快速等容加热是一种有吸引力的替代方法，可以产生像ICF点火火花那样的超高能量密度状态。这避免了由热火花与周围冷燃料混合引起的点火淬熄，这是当前追求的点火方案的关键问题。高强度激光器有效地产生相对论电子束（REB）。一部分REB动能沉积在堆芯中，然后被加热的区域变成热火花触发点火。然而，只有一小部分REB与核心碰撞，因为它的大发散。在这里，我们已经证明了增强的激光与核心的能量耦合与磁化快速等容加热。该方法采用从REB产生点到芯施加到传输区域的千特斯拉级磁场，这导致沿着磁场线将REB引导到芯。7.7即使使用相对小的径向面积密度芯（$\pm$ $\sim$ 0.1 g/cm $^2$），也实现了最大耦合的1.3%。通过使用Cu- $K_α$成像技术，在预压缩的核心中清楚地可视化引导的REB运输。一个简化的模型加上全面的诊断产生6.2%的耦合，同意相当与实测耦合。该模型还揭示了一个点火规模的面密度核心（$ρR$ $\sim$ 0.4 g/cm $^2$）导致更高的激光-核心耦合（$>$ 15%），这是远远高于目前的方案所实现的。
2017-12-16 physics.plasm-ph
Semi-analytical approaches to study hot electrons in the shock ignition regime
热电子的作用，在冲击产生和能量沉积到热致密的核心是至关重要的冲击点火计划，这意味着需要他们的表征在激光强度的利益冲击点火。在本文中，我们分析了在PALS实验室获得的实验结果，并提供了一个估计的热电子温度和转换效率使用半解析的方法，包括Harrach-Kidder的模型。
2018-11-14 physics.plasm-ph
Fast ignition driven by quasi-monoenergetic ions: Optimal ion type and reduction of ignition energies with an ion beam array
采用数值模拟方法研究了准单能离子束驱动惯性聚变靶的快速点火。已经考虑了轻离子和中间离子，例如锂、碳、铝和钒。模拟结果表明，氘氚理想压缩组态的最小点火能量几乎与离子原子序数无关。然而，它们是随着离子能量的增加而得到的，其比例近似为Z ^2，其中Z是离子的原子序数。假设离子束可以聚焦成10 μm的光斑，提出了一种新的辐照方案来降低点火能量。中间Z离子，如5.5 GeV的钒，和新的照射方案的组合允许减少点火所需的离子的数量，大致，三个数量级相比，标准的质子快速点火方案。
2014-07-03 physics.plasm-ph
Dispersion Calibration for the National Ignition Facility Electron Positron Proton Spectrometers for Intense Laser Matter Interactions
在强烈的激光-固体相互作用中产生的电子-正电子对，使用带有图像板的磁光谱仪进行诊断，例如国家点火设施（NIF）电子正电子质子光谱仪（EPPS）。虽然建模可以帮助推断定量值，但需要验证模型的准确性以确保测量质量。低能电子和正电子的色散可能会受到EPPS入口附近的边缘磁场的影响。我们已经用来自Siemens Oncor线性加速器（直线加速器）的六束电子束校准了EPPS，当它们进入光谱仪时，能量范围从$2.7$-$15.2$ $\mathrm{MeV}$。建立了Geant 4 TOPAS蒙特卡罗模拟，以匹配在$100$ $\mathrm{cm}$源-表面距离处在水中测量的深度剂量曲线和横向剖面。在偏转磁铁电流设置和出射窗口处的电子束能量之间建立了精确的关系。模拟和测量结果被用来确定在EPPS狭缝的六个电子束的能量分布。对扫描图像板的分析以及到达光谱仪的确定的能量分布提供了EPPS的改进的色散曲线。
2021-04-13 physics.plasm-ph
Laser-driven nanoplasmas in doped helium droplets: Local ignition and anisotropic expansion
在氦纳米液滴中掺杂一个只有几个原子的微小氙簇，在低于氦原子电离阈值的激光强度下，可以使液滴完全电离。结果，本质上惰性且透明的液滴变成快速且强的红外线吸收剂。微观计算揭示了一个两步机制来负责戏剧性的变化：雪崩般的氦原子电离在飞秒时间尺度上，由场电离驱动，由于快速充电的氙核心，其次是共振吸收，由一个不寻常的雪茄形状的纳米等离子体在液滴内。
2009-02-16 physics.atm-clus physics.plasm-ph
Estimation of Total Fusion Reactivity and Contribution from Suprathermal Tail using 3-parameter Dagum Ion Speed Distribution
热核聚变反应性是惯性约束和磁约束系统中聚变能产生、聚变点火和能量盈亏平衡分析等研究中的一个关键量。虽然核聚变反应性和其后的功率密度的磁约束聚变反应堆和点火标准的履行定量地确定通过假设离子速度分布是麦克斯韦，一个显着的人口超热离子，能量大于准麦克斯韦背景等离子体温度，产生的聚变反应和辅助加热的聚变装置。在目前的工作中，三参数Dagum速度分布已被引入到包括超热离子布居的影响，在总聚变反应性的计算。在聚变燃料等离子体的不同背景温度下，由于超热离子布居，聚变反应性的增强程度也进行了讨论。
2016-02-09 physics.plasm-ph
