Review of Heavy-Ion Inertial Fusion Physics
本文综述了重离子惯性聚变（HIF）的最新研究成果，包括聚变堆中的重离子束（HIB）输运物理、HIB对直接驱动燃料靶的辐照、燃料靶物理、HIF靶内爆的均匀性、目标内爆非均匀性和鲁棒内爆的平滑机制。HIB具有在惯性聚变中释放聚变能量的显著优选特征：在粒子加速器中，HIB以约30- 40%的高驱动器效率产生，并且HIB离子将其能量沉积在材料内部。因此，对聚变靶能量增益的要求相对较低，这将是~50-70以操作具有1GW电力的标准能量输出的HIF聚变反应堆。HIF反应器的操作频率将为约10~15 Hz。几个兆焦耳的HIB照亮聚变燃料目标，燃料目标内爆至固体密度的约一千倍。然后DT燃料被点燃并燃烧。HIB离子沉积范围由HIB离子停止长度限定，取决于材料，其将为约1 mm。因此，在燃料靶材料中出现相对大的密度尺度长度。惯性聚变的关键问题之一是球形均匀目标压缩，这将被非均匀内爆降级。瑞利-泰勒（R-T）不稳定性会引起内爆的不均匀性，较大的密度梯度尺度长度有助于降低R-T增长率。
2015-11-20 physics.plasm-ph
Drive Asymmetry, Convergence and the Origin of Turbulence in ICF Implosions
本文使用RAGE代码的2D和3D数值模拟研究非对称驱动ICF内爆的流体力学破坏，发现驱动不对称性诱发的相干涡旋结构的三维不稳定性是湍流混合的重要乃至主导来源，并探讨了收敛性及NIF点火意义。
2023-07-27 physics.plasm-ph
Bounce-free spherical hydrodynamic implosion
在一个无反弹的球形流体动力学内爆中，停滞后的热核等离子体不会逆着内爆流而膨胀。这样的内爆方案具有改善燃烧燃料的停留时间的优点，从而导致更高的聚变燃耗分数。通过显式构造球对称理想流体动力学方程的一族自相似解，证明了无反弹球内爆的存在性。当应用于等离子体衬垫驱动的磁惯性聚变的一个特定的例子，无反弹的解决方案被发现产生至少四个因素的改善停留时间和聚变能量增益。
2011-11-07 physics.plasm-ph
Distortions in Charged-Particle Images of Laser Direct-Drive Inertial Confinement Fusion Implosions
本文研究了ICF内爆带电粒子图像畸变问题，提出丝状场散射模型并通过粒子追踪合成数据验证其最佳匹配观测畸变，同时探讨了该机制对其他诊断的影响。
2025-04-07 physics.plasm-ph
Radiation dominated implosion with nano-plasmonics
惯性约束聚变是未来为人类提供大量、清洁和负担得起的能源的一种有前途的选择。高能激光束对靶燃料进行强烈压缩时产生的流体动力学不稳定性阻碍了目前的研究和发展。最近的一项专利结合了两个领域的进展：相对论流体动力学中的爆炸和等离子体纳米壳的辐射能量沉积。目标颗粒的压缩可以是适度的，并且通过激光脉冲实现快速体积点火，其与光穿过颗粒的穿透时间一样短。目标的反射率可以忽略不计，并且吸收率可以通过嵌入目标燃料中的等离子体纳米壳增加一个或两个数量级。因此，在适度压缩的情况下可以实现更高的点火温度。短的光脉冲可以加热目标，使得内部的大部分将同时达到点火温度。这使得任何类型的不稳定性的发展都是不可能的，这将阻止目标的完全点燃。
2017-10-27 physics.plasm-ph
The concept of isochoric central spark ignition and its fuel gain in inertial fusion
中心火花点火是惯性约束聚变（ICF）中最好的点火方法之一。中心火花点火由燃料微球的流体动力内爆形成的两个不同的区域（热区和冷区）组成。研究了惯性聚变中心火花点火方法和聚变动力装置燃料芯块设计条件，并计算了该方法中等容模型的燃料增益。给出了惯性聚变不同物理参数对燃料增益的影响，并计算了燃料密度和燃料芯块半径的优化极限。
2004-08-24 physics.plasm-ph
Radiation dominated implosion with flat target
惯性约束聚变是未来为人类提供大量、清洁和负担得起的能源的一种有前途的选择。目前的研究和发展状况受到高能激光束强烈压缩靶燃料时发生的流体动力学不稳定性的阻碍。Csernai等人（2018年）最近的一项提案结合了两个领域的进展：相对论流体动力学中的爆炸和等离子体纳米壳的辐射能量沉积。可以消除或减少目标颗粒的初始压缩，而不会达到不稳定性。最后一个能量更大的激光脉冲可以实现快速的体积点火，其应该与光穿过目标的穿透时间一样短。在本研究中，我们讨论了一个平面燃料靶同时从两侧照射。在这里，我们提出了一个点火能量与较小的压缩，大大增加熵和温度的增加，而不是外部间接加热和巨大的能量损失，最大限度地内部加热的目标与最新进展的帮助下，在纳米技术。目标的反射率可以忽略不计，并且吸收率可以通过嵌入目标燃料中的等离子体纳米壳增加一个或两个数量级。因此，可以实现更高的点火温度和辐射主导的动力学。根据相对论性流体动力学的结果，在这里大部分内部将同时达到点火温度。这使得任何形式的不稳定性的发展都是不可能的，到目前为止，这阻止了目标的完全点燃。
2020-01-31 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
A Hybrid Scheme to Achieve Highest Implosion Performance on the OMEGA Laser
Laboratory for Laser Energetics, University of Rochester（罗切斯特大学激光能量学实验室）；Department of Mechanical Engineering, University of Rochester（罗切斯特大学机械工程系）；Department of Physics and Astronomy, University of Rochester（罗切斯特大学物理与天文系）
本文提出了一种混合冲击驱动方案，通过结合直接和间接驱动，提高OMEGA激光的冲击性能，显著提升聚变产量并有效消除激光平滑需求。
2026-05-13 physics.plasm-ph
Fuel Pellet Alignment in Heavy-Ion Inertial Fusion Reactor
在惯性约束聚变中，需要解决的科学问题包括驱动能量的产生和传输、芯块设计、均匀靶内爆物理、核聚变反应堆设计等。采用磁校正方法来减小重离子惯性聚变反应堆堆芯靶的对准误差，包括重力、反应堆气体阻力和注入误差。我们发现，在本文中提出的磁校正装置是有效的，以构建一个强大的弹丸注射系统具有足够小的弹丸对准误差。
2018-08-29 physics.plasm-ph
Spiraling Beam Illumination Uniformity on Heavy Ion Fusion Target
在重离子惯性约束聚变（HIF）中，通过束轴螺旋运动实现了百分之几的摆动束照明不均匀性。目前，人们提出了利用摆动重离子束（HIB）照射来实现均匀内爆的方法。然而，摆动的HIBs的初始印记是一个严重的问题，并且引入了大的不可接受的能量沉积不均匀性。在摆动HIBs照明中，照明不均匀性在时间和空间上振荡。HIB的能量沉积可以有助于降低HIB的照明不均匀性。在HIB加速器中可以产生摆动的HIB，振荡频率可以是几个100 MHz-1GHz。三维HIBs照明计算表明，百分之几的摆动HIBs照明不均匀性振荡成功与相同的摆动HIBs频率。
2012-10-26 physics.plasm-ph
Magnetization around mix jets entering inertial confinement fusion fuel
已知在惯性约束聚变内爆中，工程特性会导致烧蚀材料射流进入燃料热点。比尔曼电池机制将它们包裹在自生的磁场中。我们表明，较高的Z射流有一个额外的热电磁源项，这是不存在的氢射流，通过动力学模拟验证。它的大小与比尔曼项相似。然后，我们包括在一个扩展的磁流体动力学方法后处理的xeros辐射流体动力学内爆模拟。模拟包括胶囊填充管的精确模型，产生被4000 T磁场包裹的致密碳射流。一个简单的球形碳混合物模型表明，这绝缘的电子热传导足以导致收缩的射流光学厚的平衡。密度更大的磁化射流流体动力学可以改变其核心穿透力，从而改变最终的混合质量，这是众所周知的，是很好地与聚变产率下降。充分探索这一点将需要自洽磁流体动力学模拟。这种自磁化的实验特征可能出现在高能中子谱中。
2020-07-08 physics.flu-dyn 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
Hot-spot model for inertial confinement fusion implosions with an applied magnetic field
本文开发了考虑轴向磁场引起的二维Braginskii各向异性热流的半解析热斑模型，解释了磁化对径向温度分布的影响，并预测了中心温度放大和产额增强，与NIF实验数据吻合。
2025-02-28 physics.plasm-ph
A semi-analytic model of magnetized liner inertial fusion
提出了一种磁化直线惯性聚变（MagLIF）的半解析模型。该模型考虑了MagLIF的几个关键方面，包括：（1）燃料的预热（可选地通过激光吸收）;（2）脉冲功率驱动的衬里内爆;（3）具有状态、人工粘性、内部磁压力和欧姆加热的解析方程的衬里压缩性;（4）燃料的绝热压缩和加热;（5）辐射损失和燃料不透明度;（6）具有能斯特热电损耗的磁通量压缩;（7）磁化的电子和离子热传导损耗;（8）端部损耗;（9）由于规定的掺杂剂浓度和污染物混合而引起的增强的损耗;（10）任意氘与氚燃料比的氘-氘和氘-氚初级聚变反应;以及（11）磁化的α粒子燃料加热。我们表明，这个简化的模型，其透明和可访问的物理，可用于再现整个原始MagLIF论文中提出的一般1D行为[S。A. Slutz等人，等离子体17，056303（2010）]。我们还讨论了一些重要的物理见解，作为发展这个模型的结果，如辐射损失率的依赖性的径向部分的燃料是预热。
2015-05-22 physics.plasm-ph
Experiments conducted in the burning plasma regime with inertial fusion implosions
国家点火设施目前正在进行一项实验计划，将氘和氚燃料压缩到足以实现聚变和能量增益的密度和温度。正在研究的主要方法是间接驱动惯性约束聚变（ICF），其中高Z辐射腔（黑腔）由激光加热，将入射能量转换为X射线辐射，这反过来又驱动DT燃料填充的胶囊，使其内爆。先前的实验报告DT燃料增益超过1 [O.A. Hurricane等人，Nature 506，343（2014）]，然后超过内爆燃料的动能[S. Le Pape等人，物理修订版信函120，245003（2018）]。我们报告了最近的实验，已经实现了创纪录的聚变中子产率NIF，大于100千焦的瞬时聚变功率超过1PW，并首次进入燃烧等离子体制度，其中燃料的聚变α加热超过通过压缩传递给燃料的能量。这是通过增加高密度碳（HDC）胶囊的尺寸，增加能量耦合，同时控制对称性和内爆设计参数来实现的。两种策略成功地控制了辐射通量的对称性，从而控制了内爆的对称性：通过等离子体波在激光锥之间传递能量，以及改变黑腔的形状。在进行这些实验时，我们控制了已知的降解来源。在这里，我们将展示如何进行这些实验，以产生创纪录的性能，并证明数据的保真度，使我们得出结论，这些镜头已经进入燃烧等离子体制度。
2021-11-08 hep-ex physics.plasm-ph
Imaging ablator-fuel mix of hot spot in inertial confinement fusion via resonant X-ray absorption using an X-ray free electron laser
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿罗森多夫赫尔姆霍兹中心）；European XFEL（欧洲X射线自由电子激光装置）；Universidad de Valladolid（巴利亚多利德大学）；Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器研究所）；Universität Siegen（锡根大学）；Universität Rostock（罗斯托克大学）；Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学）
该研究提出结合X射线自由电子激光的共振吸收成像诊断方法，可精确测量惯性约束聚变中热密等离子体，为相关模型提供基准，推动惯性聚变能发展。
2026-10-09 physics.plasm-ph
Laser pulse shape designer for direct-drive inertial confinement fusion
研制了一种用于直接驱动惯性约束聚变的脉冲波形设计器，其目标是在保证聚变燃料高压缩的同时，使流体力学不稳定性保持在可容忍的范围内。内爆不稳定性的快速线性分析使设计人员能够以实际的计算成本全面扫描广阔的脉冲配置空间，机器学习有助于将脉冲性能总结为促进脉冲形状演变的隐式缩放度量。设计者通过整合各种数据集来提高其可信度，包括超高精度的模拟或实验。当在双锥点火方案上进行测试时[J. Zhang等人，Phil.横河Soc. A. 378.2184（2020）]，优化的脉冲达到组装要求，显示出显著的印记减轻和绝热成形能力，并且具有在真实实验中实现更好的内爆性能的潜力。该设计器可以有效地替代传统的经验脉冲形状调整过程，减少了工作量和时间消耗。该设计器可用于快速探索新的直接驱动方案的未知参数空间，辅助设计迭代，降低实验风险。
2023-02-09 physics.plasm-ph
Analysis of Preheat Propagation in MagLIF-like Plasmas
本文分析了MagLIF条件下磁化等离子体中的预热传播，推导了描述流体动力学剖面和磁场演化的自相似解，揭示了燃料磁化趋于局部化的分层现象及其对磁通量守恒的影响。
2025-05-01 physics.plasm-ph
A cylindrical implosion platform for the study of highly magnetized plasmas at LMJ
在惯性约束聚变（ICF）实验中使用磁场的潜在好处的研究已经引起了新的实验平台，如Z机（桑迪亚国家实验室）的磁化线性惯性聚变（MagLIF）方法，或OMEGA（激光能量学实验室）的激光驱动等效方法。在兆焦耳级激光设施（如激光兆焦耳（LMJ）或国家点火设施（NIF））中实施这些平台对于实现自我维持的核聚变至关重要，并扩大了通过更高压缩可以实现的磁化水平。在本文中，我们提出了一个完整的设计，实验平台的磁化内爆使用的圆柱形目标在LMJ。种子磁场是使用激光驱动线圈靶沿圆柱体的轴产生的，与脉冲功率场发生器相比，最大限度地减少碎片并增加诊断访问。我们提出了一个全面的模拟研究与这些线圈目标产生的初始B-场，以及2维扩展磁流体动力学（MHD）模拟表明，一个5T的初始B-场被压缩到25kT内爆。在这种情况下，电子被磁化，这严重改变了停滞时的等离子体条件。特别地，在热点中，电子温度增加（从1keV到5keV），而密度降低（从40gcc到7gcc）。我们将讨论如何使用X射线成像和光谱学以及粒子诊断来诊断这些变化。我们建议同时使用两种掺杂剂的燃料（Ar和Kr）作为光谱示踪剂。我们表明，这引入了一个有效的空间分辨率在等离子体中，允许明确的观察B-场效应。此外，我们提出了一个计划，在LMJ的这种未来的实验。
2022-07-01 hep-ex physics.plasm-ph
Magnetic field generation from composition gradients in inertial confinement fusion fuel
聚变内爆的实验不对称性会导致热等离子体核心产生磁场。对于典型的参数，以前的研究发现，磁化霍尔参数，给出的产品的电子回旋频率和库仑碰撞时间，可以超过一个。这将通过电子热通量的抑制和偏转来影响流体动力学。磁场源是无碰撞的比尔曼项，它产生于电子压力梯度中的德拜屏蔽势。我们表明，有一个额外的源项，由于库仑碰撞算子的Z依赖性。如果存在离子成分梯度，例如碳烧蚀剂混合物的射流进入热点，则该源项可以迅速超过比尔曼场。此外，由于碳辐射冷却的温度梯度增加，比尔曼场增强。通过更强的自生场，碳区域的热损失将减少，从而潜在地减少碳混合的负面影响。
2020-07-15 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Exploring extreme magnetization phenomena in directly-driven imploding cylindrical targets
本文采用扩展磁流体动力学（MHD）模拟探索极端磁化等离子体制度可实现的圆柱内爆的欧米茄激光设备。该区域的特征在于高度压缩的磁场（穿过燃料大于10 kT），其包含相当大比例的内爆能量并在等离子体中感应出大电流。参数管理不同的磁化过程，如欧姆耗散和抑制不稳定性的磁张力，允许优化实验，研究具体的现象。例如，添加到目标气体填充物中的掺杂剂可以增强磁通量压缩，同时使得能够对内爆芯进行光谱诊断。特别是，使用Ar K-壳层光谱进行详细的非LTE原子动力学和辐射转移计算的MHD数据的影响。直接测量核心电子密度和温度将是可能的，从而允许获得磁化对最终温度和热压的影响。通过假设磁场冻结到等离子体运动，这是一个很好的近似高度磁化内爆，光谱诊断可以用来估计哪些磁化过程统治内爆动力学，例如，一个关系是用来推断是否热驱动或电流驱动的运输占主导地位。
2021-07-27 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-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
Formation and Study of a Spherical Plasma Liner for Plasma-Jet-Driven Magneto-Inertial Fusion
本文在PLX装置上首次测量了36个脉冲等离子体射流形成的球形氩衬垫，揭示了射流间从动力学贯穿到碰撞主导的转变，并表明改进射流参数可形成更光滑衬垫，为PJMIF聚变研究提供实验基准。
2024-02-20 physics.plasm-ph
NeSST: A Python Tool for Neutron Spectra and Synthetic Diagnostics in Inertial Confinement Fusion
Centre for Inertial Fusion Studies, The Blackett Laboratory, Imperial College London（惯性聚变研究中心，布莱克特实验室，帝国理工学院）
提出开源Python包NeSST，通过快速构建一次和单次散射中子谱，结合核数据、相对论修正、面密度不对称性及合成飞行时间诊断，实现ICF中子谱的快速模拟与拟合。
2026-05-23 nucl-ex physics.plasm-ph
Frequency domain laser ultrasound for inertial confinement fusion target wall thickness measurements
Research Center for Non Destructive Testing（无损检测研究中心）；General Atomics, Energy Group, Inertial Fusion Technology Division（通用原子能公司，能源集团，惯性聚变技术部）
本文提出基于零群速引导弹性波共振的频域激光超声方法，用于高密度碳胶囊壳厚测量，并通过实验和模拟验证了其有效性与可扩展性。
2026-02-02 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.ins-det
X-Ray Spectroscopy for Characterizing Stimulated Raman Scattering in Inertial Confinement Fusion
Key Laboratory of Radiation Physics and Technology of Ministry of Education, Institute of Nuclear Science and Technology, Sichuan University（四川大学核科学技术学院辐射物理与技术教育部重点实验室）；National Key Laboratory of Plasma Physics, Laser Fusion Research Center, China Academy of Engineering Physics（中国工程物理研究院激光聚变研究中心等离子体物理全国重点实验室）；College of Intelligent Manufacturing, Sichuan University of Arts and Science（四川文理学院智能制造学院）
本研究利用非局域热力学平衡碰撞-辐射模型，通过钛K壳层X射线光谱诊断惯性约束聚变中的受激拉曼散射，该方法对超热电子敏感，并与实验吻合，可作为传统背向散射诊断的补充。
2026-10-09 physics.atom-ph physics.plasm-ph
Affordable, manageable, practical, and scalable (AMPS) high-yield and high-gain inertial fusion
针对高产额惯性聚变需高效低成本输能的需求，提出脉冲驱动IFE方案，详述其物理基础并聚焦MagLIF，通过模拟及DS系统设计，以低资本成本实现高增益，为商业发电厂提供实用路线。
2025-04-14 physics.plasm-ph
