Stable Deuterium-Tritium burning plasmas with improved confinement in the presence of energetic-ion instabilities
本文报道JET时隔20多年后开展的氘氚聚变实验,发现一种稳定、高约束且无杂质的新运行模式,显著降低能量损失,并揭示多尺度物理机制对热约束和聚变功率产出的关键作用,为聚变能替代化石燃料提供重要支撑。
2024-01-18 physics.plasm-ph
Ignition and Burn in a Small Magnetized Fuel Target
LASNEX计算一个小的磁化目标显示高增益的速度显着低于所需的非磁化目标。它的低温燃料层似乎被提高到平衡点火温度约2千电子伏的辐射燃烧磁化燃料。
2014-04-07 physics.plasm-ph
Comment on 'Evidence for Stratification of Deuterium-Tritium Fuel in Inertial Confinement Fusion Implosions'
Casey等人报道了最近在OMEGA激光装置上进行的内爆实验。[1]与DT聚变反应相比,显示出异常低的DD质子产额和高的TT中子产额,这被解释为内爆核中燃料的分层。我们认为,在压缩阶段,燃料处于不平衡状态.离子向内加速到速度v0,与粒子类型无关。屈服比简单地由在相同速度下获得的熔合横截面的比率给出。一个“哈勃”型模型也给出了数据的合理描述。这些考虑可能也与国家点火装置的内爆实验有关。
2013-03-19 nucl-ex nucl-th physics.plasm-ph
Measurements of dense fuel hydrodynamics in the NIF burning plasma experiments using backscattered neutron spectroscopy
本研究利用后向散射中子能谱学技术直接测量 NIF 惯性约束聚变实验中稠密燃料的流体动力学条件,发现随产额增加燃料层径向速度和表观离子温度上升,揭示了燃烧传播进入稠密燃料层及热点点火的关键特征。
2023-07-11 physics.plasm-ph
Stopping power of high-density alpha-particle clusters in warm dense deuterium-tritium fuels
本文结合介电函数理论与LAPINS模拟,研究温密氘氚燃料中高密度α粒子团簇的集体阻止本领,揭示尾波相干叠加增强及其向退相干状态的转变。
2023-04-28 physics.plasm-ph
Magnetic Field Transport in Propagating Thermonuclear Burn
惯性聚变方案中的高能量增益要求热核燃烧波从热燃料传播到冷燃料。我们考虑了当磁场与烧伤波正交时烧伤的传播问题。利用扩展的MHD模型和磁化的$α$能量输运方程,我们发现磁场可以通过抑制电子热传导和$α$粒子通量来降低燃烧传播速率。燃烧传播过程中的磁场传输受到竞争效应的影响:通过烧蚀冷燃料,磁场可以从冷区域平流到热区域,而能斯特和$α$粒子通量影响从热燃料到冷燃料的传输场。这些效应,加上由于燃烧而引起的温度升高,可以导致电子霍尔参数在燃烧前沿迅速增长。这导致在热燃料和冷燃料之间形成自绝缘层,其降低电子热导率和$α$传输,增加温度梯度并降低燃烧传播速率。
2020-12-09 physics.plasm-ph
Multiscale Assessment of Tritium Behavior in Preliminary Fusion Pilot Plant Design Using Surrogate Models in TMAP8
Idaho National Laboratory(爱达荷国家实验室);The Pennsylvania State University(宾夕法尼亚州立大学);Tokamak Energy Ltd.(托卡马克能源有限公司)
本文通过代理模型研究聚变反应堆中氚的扩散、捕获与回收,提升燃料循环建模精度,加速设计迭代。
2026-04-21 physics.comp-ph 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
FLAIM: A reduced volume ignition model for the compression and thermonuclear burn of spherical fuel capsules
本文提出FLAIM降阶模型,用于球形DT燃料胶囊的压缩与热核燃烧,通过一维流体动力学描述提高精度,并与一维辐射流体力学模拟在广泛参数空间内验证良好一致性。
2024-11-06 physics.plasm-ph
Persistence of Deuterium and Tritium Nuclear Spin-Polarization in Presence of High-Frequency Plasma Waves
Fourth State Labs Ltd(第四状态实验室有限公司);University of Warwick(华威大学);Princeton University(普林斯顿大学);RWTH Aachen University(亚琛工业大学)
本研究通过第一性原理数值模拟及全轨道粒子追踪与专用去极化求解器,证明等离子体波在SPARC和ITER规模装置中对氘氚自旋极化的去极化作用很弱。
2025-09-29 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
Escape of α-particle in inertial confinement fusion
在惯性约束聚变中,$α$ -粒子从温度高达几十keV的氘氚(DT)燃料中的逃逸是非常重要的,它不仅会影响聚变装置的热点动力学和能量增益,而且会影响屏蔽设计。本文研究了$α$粒子从燃烧或点燃的DT燃料中逃逸的过程,考虑了DT离子和电子对$α$粒子的阻止作用及其Maxwell平均阻止重量,相对论对电子分布的影响,以及DT- $α$粒子碰撞的修正库仑对数.研究结果表明,改进模型的逃逸效应明显强于传统模型。给出了计算DT燃料逃逸因子的拟合表达式,该表达式适用于温度为1 ~ 150 keV、面密度为0.04 ~ 3 g/cm $^2$的燃烧燃料,计算精度在$\pm0.02$以内。最后,通过比较不同模型的逃逸因子,讨论了$α$粒子逃逸对热点动力学和热核能量增益的影响。
2019-08-20 physics.plasm-ph
Optimization of Tritium Breeding Ratio in a DT and DD Submersion Tokamak Fusion Reactor
该研究利用Paramak与OpenMC模拟浸没式托卡马克,比较材料、富集度及DD/DT中子能谱对TBR的影响,以实现氚自给。
2023-09-30 cs.CE physics.plasm-ph
Three-Dimensional Euler Fluid Code for Fusion Fuel Ignition and Burning
该文献描述了通过欧拉方法模拟三维空间中的等离子体和流体的数值算法,其中空间网格固定到空间。等离子体和流体通过空间欧拉网格边界。欧拉方法可以表示等离子体和流体的大变形。另一方面,当等离子体或流体被压缩到高密度时,应确保空间分辨率以精确地描述密度变化。本文开发的三维欧拉程序用于模拟核聚变燃料的点火和燃烧。因此,三维欧拉程序包括DT燃料反应,α粒子扩散,α粒子沉积加热DT燃料和DT燃料消耗的DT反应,以及基于三温度可压缩流体模型的热能扩散。
2020-04-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Code O-SUKI: Simulation of Direct-Drive Fuel Target Implosion in Heavy Ion Inertial Fusion
O-SUKI程序是一个完整的二维模拟程序系统,用于模拟重离子束惯性约束聚变中直接驱动核聚变芯块的燃料内爆、点火和燃烧过程。O-SUKI代码由OK 3的HIB照明和能量沉积程序的四个程序组成(COMPUT.物理通信181,1332(2010))、拉格朗日流体内爆程序、数据转换程序和欧拉流体内爆、点火和燃烧程序。OK 3计算对球形燃料目标的多个HIBs辐照。在0 K3中,一个HIB被划分成许多子波束。每个重离子子束根据粒子能量沿着轨迹在沉积层中沉积其能量。OK 3还具有HIB轴振荡的摆动运动的功能,并且在燃料目标的能量吸收器内部获得HIB能量沉积空间细节轮廓。球靶内爆二维行为的计算与OK 3耦合的二维拉格朗日流体程序,直到燃料内爆的空隙关闭时间之前。然后将拉格朗日内爆程序得到的数据转换为欧拉内爆程序得到的数据。聚变氘(D)-氚(T)燃料和向内运动的重氚物质在停滞阶段发生严重的内爆和变形。欧拉流体程序适合于模拟聚变燃料的压缩、点火和燃烧过程。代码O-SUKI 2D模拟系统提供了计算和研究HIF目标内爆动力学的能力。
2018-12-18 physics.plasm-ph
Modeling helium compression and enrichment in DIII-D edge plasmas using the SOLPS-ITER code
该研究利用 SOLPS-ITER 模拟 DIII-D 注氦放电,分析偏滤器中氦的输运、再循环与富集,并评估氚燃烧效率指标的可行性。
2025-07-24 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
Comments to Marvel Fusions Mixed Fuels Reactor Concept
本文通过部分逆增益标度分析指出,硼氢混合燃料中轫致辐射、α粒子逃逸、流体动力学膨胀和热传导损失之间存在负协同效应,使得实现燃烧等离子体条件更加困难,重金属包层夯实也无法有效解决该问题。
2024-01-11 physics.plasm-ph
Favorable Collisional Demixing of Ash and Fuel in Magnetized Inertial Fusion
磁化惯性聚变实验正在接近径向传输由磁化离子之间的碰撞主导的制度,这为利用通常与稳态磁聚变相关的效应提供了机会。特别是,磁化线性惯性聚变的低密度热点特性导致抗磁摩擦和热摩擦,这可以将热化灰与燃料分离,加速聚变反应。对于其中存在燃料的实质燃耗的反应堆制度,聚变能量产额增加约5%是可能的。
2018-09-18 physics.plasm-ph
Simulation and assessment of ion kinetic effects in a direct-drive capsule implosion experiment
第一次模拟采用动力学处理的燃料和壳离子模型惯性约束聚变实验,包括结果表明,在改变聚变燃烧的动力学物理过程的重要性。分析了在OMEGA装置上用氘、氚和氦-3两种不同气体填充进行的一对直接驱动密封舱内爆。在内爆激波收敛过程中,观察到高度非麦克斯韦离子速度分布以及离子种类之间的密度和温度分离。燃料扩散到胶囊壳被确定为一个主要的过程,降低聚变燃烧性能。
2016-10-12 physics.plasm-ph
Comments on "Low Q nuclear fusion in a volume heated mixed fuel reactor" by H. Ruhl and G. Korn (Marvel Fusion, Munich)
我们评论的注意“低Q核聚变在体积加热的混合燃料反应堆”的鲁尔和科恩,其中流体动力学寿命的考虑包括在未压缩的聚变燃料目标的点火能量的估计。对于DT聚变的情况,作者得出所需的热点能量为1 MJ。我们指出,他们的Q = 1的估计是不相关的过渡到热核聚变制度,它是基于DT注入硼质子矩阵不考虑所有的后果。应用适当的校正导致所需的激光能量的增加,以启动有用的聚变功率生产,甚至对于DT,进入GJ范围。漫威聚变的目标是使用p-11B聚变反应,根据鲁尔和科恩的乐观估计,这将需要1 GJ的热点能量。如果这是由混合pBDT燃料或分段爆炸方案(而不是激光沉积)提供的,这将意味着快速中子的高相关产生率,以及氚增殖的需要,并将单个激光脉冲产生的能量推向不可管理的维度。
2023-03-17 physics.plasm-ph
Production of Nuclear Battery $β^{-}$ Emitters Driven by Fusion Neutrons
Marathon Fusion(马拉松聚变)
本文研究了利用融合中子生产核电池所需放射性同位素的可行性,展示了未来氘氚融合中子的可用性如何大幅提高生产速率,并评估了14 MeV D-T中子生产放射性同位素的能力,提出了一些具有潜力的同位素候选者,如147Pm、63Ni、39Ar和137Cs,通过模拟辐照材料,展示了大规模生产放射性同位素并关闭氚燃料循环的潜力。
2026-05-18 physics.ins-det physics.plasm-ph
Fokker Planck kinetic modeling of suprathermal alpha-particles in a fusion plasma
本文提出了一个描述惯性聚变靶氘氚燃料点火和燃烧的离子动力学模型。底层的物理模型的分析,使我们能够开发有效的数值方法来模拟聚变反应产物(α粒子)在动力学水平的创建,运输和碰撞弛豫。一个两个能量尺度的方法导致一个自洽的模型之间的耦合超热α粒子和热散装的内爆等离子体。这种方法提供了一个精确的数值处理的能量沉积和传输过程涉及超热粒子。这里提出的数值工具对已知的分析结果进行了验证。这使我们能够研究离子动力学效应对惯性约束聚变点火和热核燃烧物理的潜在作用。
2014-02-22 physics.plasm-ph
Code O-SUKI-N 3D: Upgraded Direct-Drive Fuel Target 3D Implosion Code in Heavy Ion Inertial Fusion
Code O-SUKI-N 3D是2D Code O-SUKI(Comput.物理通信240,83(2019))。O-SUKI-N 3D程序是一个完整的重离子束惯性约束聚变(HIF)直接驱动核聚变芯块燃料内爆、点火和燃烧的三维模拟程序系统,由拉格朗日流体内爆程序、数据转换程序和欧拉流体内爆、点火和燃烧程序3个程序组成。Code O-SUKI-N 3D还可以与OK 3的HIB照明和能量沉积程序(COMPUT.物理通信181,1332(2010))。利用三维拉格朗日流体程序计算了球形靶内爆的三维行为,直到燃料内爆的空洞闭合之前。然后将拉格朗日内爆程序得到的数据转换为三维欧拉程序得到的数据。在三维Euler程序中,计算了DT燃料在滞止、点火和燃烧时的压缩。代码O-SUKI-N三维模拟系统提供了计算和研究HIF目标内爆动力学的能力。
2021-04-30 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Amplifier scheme: driven by indirect-drive under 10 MJ laser toward inertial fusion energy
针对ICF燃烧效率低的问题,提出一种通过两次级联爆炸提高燃烧效率的amplifier方案,在10 MJ激光间接驱动下实现48%燃烧效率和33增益,降低了对点火条件的要求。
2024-12-24 physics.plasm-ph
Inertial fusion without compression does not work either with or without nanoplasmonics
对最近发表的一种基于未压缩燃料瞬时加热的惯性聚变方案提出了批评。结果表明,由于低的核反应截面,不能实现有效的聚变和类时的聚变燃烧传播。建议在目标体积内使用纳米球以支持燃料的快速加热也受到质疑。
2020-09-29 physics.plasm-ph
Semi-analytic model of plasma-jet-driven magneto-inertial fusion
提出了等离子体射流驱动磁惯性聚变的半解析模型。计算了磁化等离子体靶与球形内爆等离子体衬层的一维耦合,考虑了衬层材料的可压缩流体力学和电离、传导和辐射引起的能量损失、聚变燃烧和α沉积、靶中离子和电子的温度、磁压力和燃料燃耗。结果表明,当衬层厚度为1 cm,预热磁化靶初始半径为4 cm时,在球收敛比< 15,衬层能量为20-40 MJ时,一维增益为3-30。给出了参数空间和物理设置的一些探索。观察到的产量表明,有可能点燃额外的致密燃料层,以达到高增益。
2017-02-16 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
Deuterium-Tritium Levitated Dipole Fusion Power Plants
OpenStar Technologies Limited(OpenStar科技有限公司)
本研究设计了两种首台氘氚悬浮双极聚变发电厂,通过高场REBCO磁体和中子防护结构,实现高功率输出与经济性。
2026-02-24 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Enhanced alpha channeling with spin-polarized fuel
Marathon Fusion(马拉松聚变);Princeton Plasma Physics Laboratory(普林斯顿等离子体物理实验室);Proxima Fusion GmbH(普罗克西玛聚变有限公司);United Kingdom Atomic Energy Authority(英国原子能管理局);Centre for Fusion, Space and Astrophysics, Department of Physics, University of Warwick(华威大学物理系聚变、太空与天体物理学中心)
研究氘 - 氚燃料自旋状态对聚变影响,提出自旋极化燃料增强α粒子输运的两种方式,通过速度空间计算等方法得出其能提高输运效率及聚变功率,还能快速输送氦到偏滤器,为聚变研究提供新思路。
2026-07-29 physics.plasm-ph
Will NIF Work
为了现代社会的可持续性,必须开发新的清洁和丰富的能源。氢同位素氘和氚的核聚变如果成功,可能会对满足这一需求做出重大贡献。美国在实现实用的惯性约束聚变(ICF)方面做出了重要努力,该技术已在劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发了数十年。国家点火装置(英语:National Ignition Facility)(NIF)是一个巨大的激光器,用于多次冲击,从而准等熵压缩氘氚(DT)胶囊到高密度和温度,其中聚变率与密度平方乘以温度的四次方成正比。NIF要成功工作必须解决的主要问题是消除瑞利-泰勒(Rayleigh-Tailor,R-T)不稳定性,R-T不稳定性通过NIF激光驱动的动态压缩实现DT的温度降低而毒害聚变反应。今天的主要技术问题是凝聚态物质和材料物理(CMMP),而不是激光技术和等离子体物理。为了使R-T不稳定性的增长最小化而必须完成的燃料舱CMMP还有待完成。根据今天所知道的,NIF不太可能产生实际数量的聚变能量。
2009-08-28 cond-mat.mtrl-sci physics.plasm-ph
Possible Energy Gain for a Plasma Liner-Driven Magneto-Inertial Fusion Concept
磁惯性聚变(MIF)概念的一维参数研究表明,显着的增益可能是可以实现的。这个概念使用了一个动态形成的等离子体壳,具有向内的动量来驱动磁化燃料点火,这反过来又部分燃烧了中间层的非磁化燃料。这个概念被称为等离子射流MIF或PJMIF。自适应网格细化(AMR)欧拉代码(Crestone)的结果进行了比较的拉格朗日代码(LASNEX)。这是首次发表的结果使用Crestone和LASNEX代码的PJMIF概念。
2014-05-13 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
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
Monte Carlo Simulations of Suprathermal Enhancement in Advanced Nuclear Fusion Fuels
HB11 Energy Holdings Pty Ltd(HB11能源控股私人有限公司);The University of New South Wales(新南威尔士大学);Macquarie University(麦考瑞大学)
本文通过蒙特卡洛模拟研究高温粒子增强对D-T、氘、¹¹BH₃和¹¹BHDT燃料燃烧动态的影响,发现纯氘中的超热临界性预测被高估,仅D-T在无中子泄漏时存在临界态,¹¹BH₃中4MeV能量的快质子可最大化超热增强。
2026-04-08 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Advanced fuel fusion, phase space engineering, and structure-preserving geometric algorithms
该研究从理论与算法层面探讨先进燃料聚变中的相空间工程,指出其操作空间受辛动力学约束,数学本质为辛拓扑,并提出可精确保持辛特性的保结构几何算法用于相关模拟与计算。
2024-02-14 cs.NA math-ph math.MP