关键理论支撑！揭示金锥辐射效应，钨锥替代有望促双锥点火性能提升

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该手稿报道了一项以惯性约束聚变（ICF）为重点的研究。特别是，提出了一种通过用钨锥代替金锥来减少X射线预烧蚀的方案，有效地减少了高Z混合并改善了对撞结果。

这项工作通过上述方案有助于改进ICF过程，直接参与NIF ICF实验的其中一位评议员在其报告中写道：“这篇论文很有趣，结果很可靠。”

当前，ICF不仅是基础物理学领域的关键研究方向，更是为获取清洁能源提供了一种极具发展潜力的前瞻性方案。这一工作对ICF领域做出了重要贡献。

双锥对撞点火方案

惯性约束聚变（ICF）是人类实现可控核聚变的重要路径之一，其原理是通过高能激光均匀压缩毫米级燃料靶丸（通常为氘氚混合物），使其达到高温高密度状态，触发核聚变反应。然而，传统ICF方案面临三大难题：一是驱动能量需求极高（如美国国家点火装置NIF需百万焦耳级激光）；二是流体不稳定性会破坏靶丸对称性，导致能量利用率低下；三是激光等离子体不稳定性会导致激光利用效率低、激光辐照不均匀等。

近年来，双锥对撞点火（DCI）作为一种新型点火方案脱颖而出。其核心设计是将燃料靶丸置于两个对称的开放式金锥之间（见图1a），利用激光驱动燃料沿金锥高速碰撞，实现高效压缩和动能到热能的转化。相比传统方案，DCI使用金锥引导内爆，可显著降低驱动能量需求，对驱动不对称性和流体不稳定性具有更高容忍度。但实验中发现，金锥在激光辐照下会释放大量硬X射线（光子能量>2keV），这些高能射线穿透燃料层，烧蚀锥体内壁形成预等离子体。产生的预等离子体可能提前与燃料混合，改变内爆动力学过程，甚至导致点火失败。如何量化评估这一效应，成为DCI从理论迈向工程应用的关键瓶颈。

图1双锥点火结构示意图

X射线预烧蚀对双锥对撞点火内爆过程的影响

国防科技大学杨晓虎团队通过数值模拟研究发现，双锥对撞点火中金锥产生的硬X射线会引发锥体内壁预烧蚀，形成低密度预等离子体。这些预等离子体与燃料混合后，导致燃料能量损失增加、内爆对称性破坏，最终使热斑温度下降25%。研究提出以钨锥替代金锥的创新方案，成功将硬X射线辐射强度降低70%，并使碰撞面密度提升15%、峰值温度提高至500 eV。该成果为双锥对撞点火工程化提供了关键理论支撑。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2025年第2期(Bihao Xu, Xiaohu Yang, Ze Li, Bo Zeng, Zehao Chen, Lingrui Li, Ye Cui, Guobo Zhang, Yanyun Ma, Jie Zhang, "Effects of X-ray pre-ablation on the implosion process for double-cone ignition," High Power Laser Sci. Eng. 13, 02000e24 (2025))。

模拟显示，金锥在激光辐照下产生的硬X射线占总辐射能流的15%，其强度是纯CH材料的81倍（见图2a）。这些射线穿透靶壳后，在锥体内壁引发亚声速烧蚀，形成低密度金预等离子体。预等离子体快速膨胀并与燃料预等离子体（由稀疏波产生）碰撞，使腔体内压力提升至数Mbar（见图2b），阻碍内爆壳层运动。

图2 (a) 不同区域的辐射谱，其中虚线为对应温度下的黑体辐射谱；(b) 内爆过程中的压强分布，其中虚线标记了金等离子体的分布范围

靠近锥体的壳层速度比轴向区域明显减慢，最终导致对撞面密度分布严重偏离球对称（见图3a），严重降低压缩效率。燃料面密度仅能达到约0.26 g/cm²，低于点火所需的0.6 g/cm²阈值。对撞等离子体中局部混入的金离子质量分数达5%（见图3b），使燃料轫致辐射（能量损失）功率提升至纯燃料的1.46倍，显著冷却燃料（峰值温度下降25%，约300 eV）。

图3 (a) 对撞区域内的峰值温度和不同方向上的面密度演化；(b) 对撞等离子体的密度分布和金离子混合情况分布

研究提出用钨锥替代金锥。钨的M带辐射通量减少70%，预等离子体的产生量仅为金的50%，且膨胀速度较慢，未进入燃料核心区域。对撞等离子体面密度提升15%（0.3 g/cm²），峰值温度提高67%（约500 eV）。

图4 钨锥的(a) 辐射谱；(b) 峰值密度和面密度演化

总结与展望

本研究首次阐明双锥点火中锥体材料辐射效应的关键作用，并提出切实可行的优化方案。未来需进一步探索新型锥体材料与燃料壳层的辐射屏蔽结构设计，同时结合新一代高能激光装置开展实验验证。该成果不仅为双锥点火工程化奠定基础，也为高能量密度物理实验中辐射与材料的相互作用研究提供了新范式。