一种提升束靶耦合效率与聚变产额的方法与系统与流程

本发明属于聚变能源领域，尤其涉及聚变能源领域中的惯性约束聚变（icf）领域，具体涉及一种提升束靶耦合效率与聚变产额的方法与系统，能够有效提升激光与聚变靶丸之间的能量耦合效率，进而获得更高的聚变增益，推动惯性约束聚变技术的工程化应用。

背景技术：

1、聚变能源作为人类能源的“终极梦想”，具有清洁、高效、燃料储量丰富等突出优势，是解决未来能源危机的重要方向。惯性约束聚变（icf）是实现聚变能源实用化的主要技术路线之一，其核心原理是通过高能激光驱动聚变靶丸，使其在自身惯性作用下被快速压缩至极高温度和密度，从而引发聚变反应。

2、目前，现有icf点火方案中，间接驱动与直接驱动两种核心原理均已通过大量实验验证。其中，美国国家点火装置（nif）率先采用间接驱动方式实现了聚变点火突破，但该方案的聚变能量增益提升受到严重限制，成为制约惯性约束聚变从科学验证向工程应用转化的关键瓶颈。

3、高增益聚变的实现面临两大核心技术挑战：其一，束靶耦合效率瓶颈。间接驱动方案的束靶耦合效率普遍低于15%，其中nif装置的实测值仅为13%；直接驱动方案虽理论极限可达30%，但当前实验峰值仅为22%，能量利用效率仍有待大幅提升。其二，内爆对称性失控。激光等离子体不稳定性（lpi）与流体力学不稳定性（hi）的耦合作用，会引发驱动不对称性，进而导致内爆性能衰减50%-80%；nif实验已证实，当驱动不对称性＞5%时，热斑压力损失可能高达40%，严重影响聚变产额。因此，在保证驱动不对称性可控的前提下，提升束靶耦合效率，成为实现聚变产额增长的关键突破口。

4、混合驱动作为一种新型的icf驱动方案，兼具束靶耦合效率高于间接驱动、驱动对称性优于直接驱动、对驱动不对称性的容忍度高于间接驱动的独特优势，被认为是突破现有技术瓶颈的重要方向。然而，在驱动激光总能量固定的条件下，束靶耦合效率依然是制约混合驱动内爆性能的关键瓶颈之一，现有混合驱动方案未能有效解决这一问题，导致聚变产额难以实现实质性提升。

5、交叉束能量转移（cbet）技术作为一种有效的激光能量调控手段，已在实验室中得到验证，例如llnl实验室kirkwood等人在nif装置上基于气袋靶产生的等离子体介质，通过精确控制泵浦光束和信号光束的参数，完成了8束激光合一的演示实验，证实了其在激光能量转移中的可行性。但该技术尚未被应用于混合驱动icf的束靶耦合效率提升中，也未形成一套完整的方法与系统，无法解决现有混合驱动方案的核心瓶颈。

技术实现思路

1、针对现有混合驱动惯性约束聚变中，束靶耦合效率低、聚变产额受限，且驱动不对称性难以有效控制的技术问题，本发明提供一种提升束靶耦合效率与聚变产额的方法与系统，通过激光能量的精准调控与结构参数的优化，实现束靶耦合效率与聚变产额的双重提升，同时提升对驱动不对称性的容忍度、抑制驱动不对称性，为惯性约束聚变的工程化应用提供技术支撑。

2、一种提升束靶耦合效率与聚变产额的方法，包括以下步骤：

3、s1：制备高z材料黑腔，所述黑腔为密闭容器表面开孔结构，激光注入孔（leh）对称分布在黑腔表面；在黑腔中心放置装有聚变燃料的靶丸，黑腔内填充低密度气体；所述靶丸直径为黑腔直径的1/10~1/5；

4、s2：在t1时刻，将8束以上短脉冲、高功率的间接驱动激光由激光注入孔（leh）注入黑腔，所述间接驱动激光脉宽<20ns，单光束功率密度；激光照射黑腔内壁产生x射线辐射，对靶丸进行初步压缩，同时产生预等离子体并远离黑腔中心膨胀；激光注入过程中确保激光不从其他注入孔穿出、不被靶丸遮挡；

5、s3：在t2时刻，将8束以上短脉冲、高功率的直接驱动激光瞄准黑腔中心的靶丸，由激光注入孔（leh）注入黑腔，其中t2>t1，且直接驱动激光的注入时间早于间接驱动激光的结束时间；采用能量转移技术将t2之后的部分或全部间接驱动激光能量转移给直接驱动激光；直接驱动激光持续从间接驱动激光获取能量，对步骤2产生的预等离子体进行加热、压缩至高密度，提升驱动压强，最终压缩靶丸产生聚变中子；所述直接驱动激光的总能量为间接驱动激光总能量的0.5~5倍，直接驱动激光的光斑尺寸为靶丸直径的0.5~1.2倍；

6、s4：利用中子产额测量设备、中子最大发射时刻测量设备、离子温度测量设备、热斑成像设备，分别测量聚变反应产生的中子数目、中子最大发射时刻、离子温度以及热斑尺寸及形状；

7、s5：根据步骤4测量的参数修订数值模拟模型，结合数值模拟调控黑腔尺寸、靶丸尺寸、t1与t2的差值以及直接驱动激光与间接驱动激光之间的能量转换系数，获得中子产额与上述参数的依赖关系；

8、s6：根据模拟预测及实验结果，反复迭代调整步骤5中的关键参数，直至实验获得最多中子数目，实现聚变产额的最佳优化。

9、一种提升束靶耦合效率与聚变产额的系统，包括高z材料黑腔、间接驱动激光组件、直接驱动激光组件、能量转移模块以及诊断测量模块；

10、所述高z材料黑腔为密闭容器表面开孔结构，激光注入孔（leh）对称分布在黑腔表面，黑腔中心放置装有聚变燃料的靶丸，黑腔内填充低密度气体，靶丸直径为黑腔直径的1/10~1/5；

11、所述间接驱动激光组件用于产生8束以上短脉冲、高功率的间接驱动激光，所述间接驱动激光脉宽<20ns，单光束功率密度，可在t1时刻由激光注入孔（leh）注入黑腔，照射黑腔内壁产生x射线辐射；

12、所述直接驱动激光组件用于产生8束以上短脉冲、高功率的直接驱动激光，所述直接驱动激光脉宽<20ns，单光束功率密度，可在t2时刻（t2>t1）由激光注入孔（leh）注入黑腔并瞄准靶丸，直接驱动激光的总能量为间接驱动激光总能量的0.5~5倍，光斑尺寸为靶丸直径的0.5~1.2倍；

13、所述能量转移模块用于实现间接驱动激光与直接驱动激光之间的能量转移，可将t2之后的部分或全部间接驱动激光能量转移给直接驱动激光；

14、所述诊断测量模块包括中子产额测量设备、中子最大发射时刻测量设备、离子温度测量设备以及热斑成像设备，分别用于测量中子数目、中子最大发射时刻、离子温度以及热斑尺寸及形状。

15、进一步地，所述高z材料包括au、u、ta及其化合物或合金中的一种或多种；所述黑腔的几何形状为球体或其他形状。

16、进一步地，所述低密度气体为he气。

17、进一步地，所述靶丸的烧蚀层材料包括be、beb合金、高密度碳和塑料中的一种或多种。

18、进一步地，所述能量转移技术为交叉束能量转移（cbet）技术。

19、本发明的有益效果为：

20、1. 大幅提升束靶耦合效率与聚变产额：本发明通过能量转移技术，将间接驱动激光能量重分配给耦合效率更高的直接驱动激光，打破了现有混合驱动方案的束靶耦合效率瓶颈，结合参数迭代优化，可显著提升束靶耦合效率，进而实现聚变产额的大幅增长，为高增益聚变的实现提供了有效路径。

21、2. 提升对驱动不对称性的容忍度：本发明通过对称分布的激光注入孔（leh）、合理的黑腔与靶丸尺寸比例，以及激光时序的精准控制，优化了驱动环境，有效提升了对驱动不对称性的容忍度，减少了驱动不对称性对聚变产额的影响。

22、3. 有效抑制驱动不对称性：本发明通过高z材料黑腔的结构设计、预等离子体的精准调控，以及能量转移技术的应用，抑制了激光等离子体不稳定性（lpi）与流体力学不稳定性（hi）的耦合作用，从而减少了驱动不对称性的产生，确保内爆过程的稳定性，进一步提升聚变反应的效率。

23、4. 实用性强，可扩展性好：本发明的方法与系统所采用的材料、设备及技术均具有良好的实验可行性，其中交叉束能量转移（cbet）技术已在实验室中得到验证，便于后续工程化推广；同时，各关键参数可根据实际实验需求进行灵活调整，具有较强的可扩展性，可适配不同规模的惯性约束聚变装置。