激光聚变六孔球腔辐射源获原理性验证

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     我国激光聚变科研团队突破ICF研究中长期采用的柱腔概念，于2013年提出六孔球腔球对称辐射驱动源的构型、原理及设计[arXIV:1311.1263v2, DOI: 10.1063/104863435 (2013); Phys. Plasmas 21, 010704 (2014); Phys. Plasmas 21, 052704 (2014); Phys. Plasmas 21, 090704 (2014)]；利用新型六孔球腔构型和巧妙的激光排布设计对腔内烧蚀等离子体进行时空控制，在理论上成功实现由三维激光驱动到准一维球形辐射驱动的物理降维，突破性获得辐照不均匀度降至0.1%的球对称辐射驱动源，完全满足点火靶对驱动不对称性低于1%的要求。这种球对称辐射驱动源设计简单，无需采用均匀性调控手段，具有能量耦合效率高和对工程误差容忍度大等显著优势。此外，六孔球腔理想激光排布方案还可用于直接驱动、混合驱动等其它激光聚变途径。鉴于六孔球腔球的显著优势，利用现有装置开展六孔球腔原理验证对选择未来激光聚变装置构型十分必要[参见美国Rochester大学LLE实验室文章：Phys. Plasmas 28, 062703 (2021)]。

     目前世界上用于间接驱动激光聚变研究的所有激光装置都针对柱对称黑腔设计，包括我国系列神光装置。为了在神光装置上开展六孔球腔原理性验证实验，在综合考虑各种物理因素与工程因素后，该团队在上百套激光重注方案中找到一种最接近六孔球腔理想激光排布的择束方案，尽管该方案下依然残留了柱对称黑腔中所特有的球谐二阶模。该团队进一步针对神光条件设计给出平顶和整形两种激光波形下的六孔球腔综合内爆实验理论设计方案，并于2019年初圆满完成实验。该实验不采用任何辐照均匀度调控措施，首次在靶的极区和赤道均观测到准球形热斑图像。该团队对实验数据进行了长达两年多的详细分析，所获主要结果：(1)在约170eV辐射温度下成功获得15倍收缩比准球形内爆；(2) 所测内爆轨迹、核反应峰值时间、最大内爆速度、热斑尺寸、内爆收缩比等重要内爆物理量均与理论一维模拟结果高度吻合；(3)所有有效发次所获中子产额与一维理论模拟结果之比均在55%以上，最高达84%，与二维模拟之比达89%。

     这是具有里程碑意义的六孔球腔重要进展，成功验证六孔球腔球对称辐射驱动源无需任何对称性调控手段即可获得准球形内爆的优势,意味着这种新型辐射源或成为下一代激光聚变装置的重要备选方案。同时，实验也暴露了在柱腔构型激光装置上实现六孔球腔球对称辐射场的局限性。这更增加了建造六孔球腔构型激光聚变装置的必要性。该成果以"First inertial confinement fusion implosion experiment in octahedral spherical hohlraum"为题，于2021年12月8日在《物理学快报》(Physical Review Letters)杂志上在线发表(https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.245001)。北京应用物理与计算数学研究所蓝可研究员与中国工程物理研究院激光聚变中心董云松副研究员为该论文共同第一作者，北京应用物理与计算数学研究所蓝可研究员、吴俊峰研究员、陈耀桦副研究员为该论文共同通讯作者。除了六孔球腔球对称辐射驱动源这一独辟蹊径的创新工作之外，近期该团队还突破ICF点火靶丸设计中采用单种烧蚀材料的常规设计思维，在国际上首次提出由多种烧蚀材料优化组合的新型点火靶设计概念，给出了可显著抑制内爆流体力学不稳定性的HDC-CH组合靶丸新型设计，并于今年4月15日在Physical Review Letters杂志上发表了题为"Novel target designs to mitigate hydrodynamic instability growth in inertial confinement fusion"的研究论文[Phys. Rev. Lett.126, 185001 (2021)]。该团队在Physical Review Letters杂志上发表的有关ICF研究与应用的创新工作还有：Phys. Rev. Lett.109, 145004 (2012)；Phys. Rev. Lett.117, 025002 (2016)；Phys. Rev. Lett.118, 165001 (2017)；Phys. Rev. Lett.120, 165001 (2018)。

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