2-49 超强激光等离子体相互作用和快点火机理的粒子模拟

张家泰 许林宝 何 斌 张书贵 常铁强 贺贤土

　　ICF的快点火方案利用超短超强激光器和常规聚变激光器配合使用，只需数万焦耳激光能量就可能使ICF的靶丸点火，数十万焦耳激光能量就可能获得高增益聚变。首先利用通常的长脉冲中等强度三倍频多路高能量Nd激光压缩D-T小球，使其达到高密度。再利用超短（几ps〕超强Nd激光脉冲，通过有质动力的作用将包围D-T周围的高压缩材料钻孔。最后利用几到几十ps的Nd激光通过已经钻出的孔传递能量到D-T 表面，在这里产生超热电子并沉积能量，在一个α粒子射程范闱内约3~60kJ，使其局部温度达到10keV实现点火。

　　这种新的点火机制除了降低点火能量外还有很多优点，例如不太要求均匀密度，不太依赖点火需要控制的热斑，混合不熄灭点火。被相对论电子加热的时间短，以致于流体力学膨胀可忽略，减少R-T不稳定性的增长时间。而且，从外面点火比从中心点火更具有主动性。因此，这种新的点火机制具有十分诱人的前景。

　　利用二维相对论电磁粒子模拟（2DCIC）程序数值研究了快点火的钻孔机理，在计算机模拟中追综数百万个模拟粒子，在一个预离化的非均匀线性或指数密度分布的等离子体中，X方向分202个网格，30个空网格，Y方向分64个网格，16个空网格，X方向和Y方向的速度网格均为4。将功率密度为10¹⁹～10²⁰W/cm²超短超高斯Nd激光脉冲入射在经过预压缩的等离子体上，得到了由极强有质动力钻孔的物理图象，由不同时刻的粒子分布图可以明显看出钻孔的时空变化，初始时刻离子为均匀分布，几个激光周期以后的离子分布形成一个明显的浅孔，随着时间的推移孔愈来愈深，在200激光周期时的钻孔深度为5～16激光波长；由不同时刻的离子分布计算得到钻孔速度为0.03～0.08c(光速)；超热电子温度为1～10MeV;自生磁场为几十至几百MGs。

　　由上述模拟结果可见，1.06mm波长超短超强激光快点火钻孔可行，但快点火是一个非常复杂的系统工程问题，成功的关键是各阶段的精密配合，现在还处于分解和概念研究阶段。