It is crucial to form a hot spot that can drive a self-heating nuclear burn propagation into the surrounding cold fuel in ignition process of laser fusion. In this paper, we discuss the formation of a hemispherical hot spot located at the edge of an end-on precompressed isochoric fuel instead of a central spherical hot spot surrounded by cold fuel in a corona plasma shell. This configuration leads to a new energy loss mechanism named hot spot collapse, which originates from mass loss of the hot spot through the interface with the vacuum. A semi-analytical model is proposed including particle induced burning, hot spot collapse and other energy loss processes. Then a modified ignition criterion is derived. The results show that the competition between the hot spot collapse and the burn propagation is crucial in the formation of the hot spot. The formation of such a hot spot at end-on precompressed isochoric fuels would require a somewhat higher initial temperature of for a hot spot with an initial areal density . Simulations are performed with a 3D hybrid particle-in-cell/fluid code for the heating process by fast electrons and a 3D radiation hydrodynamics code for the burning process. Simulation results agree with the model. Our optimized result shows a 10 ps heating laser pulse with an energy as low as 39 kJ can lead to a fast ignition in the ideal case. This study provides an effective reference for design and evaluation of experiments planned for fast ignition schemes.
レーザー核融合の点火過程において、周囲の冷たい燃料への自己加熱型核燃焼伝播を駆動できるホットスポットを形成することが極めて重要である。本論文では、コロナプラズマシェル内の冷たい燃料に囲まれた中心部の球状ホットスポットの代わりに、エンドオン予圧縮等容燃料の端に位置する半球状ホットスポットの形成について議論する。この構成は、真空との界面を通じたホットスポットの質量損失に起因する、ホットスポット崩壊と呼ばれる新しいエネルギー損失機構を引き起こす。粒子誘起燃焼、ホットスポット崩壊、およびその他のエネルギー損失過程を含む半解析モデルを提案する。そして、修正された点火条件を導出する。結果は、ホットスポット崩壊と燃焼伝播の間の競合がホットスポットの形成において重要であることを示している。このようなエンドオン予圧縮等容燃料でのホットスポットの形成には、初期面密度が のホットスポットに対して、やや高い初期温度 が必要となるであろう。高速電子による加熱過程には3次元ハイブリッド粒子インセル/流体コードを用い、燃焼過程には3次元放射流体力学コードを用いてシミュレーションを実施した。シミュレーション結果はモデルと一致する。我々の最適化結果は、理想的な場合において、エネルギーがわずか39 kJの10 ps加熱レーザーパルスが高速点火を導くことができることを示している。本研究は、高速点火方式で計画されている実験の設計と評価に有効な参照を提供する。