In inertial confinement fusion, the homogeneity of deuterium (D)–tritium (T) fuel is critical to target performance. However, during solidification, isotopologue fractionation can induce non-uniform distribution of composition in the solid D–T layer and alter the equilibrium composition of the central D–T gas. This study quantifies the impact of isotopologue fractionation on the compositional distribution within a cryogenic D–T target. A comprehensive numerical framework integrating heat transfer, species transport, solidification, and volumetric shrinkage was established using ANSYS Fluent to simulate the evolution of compositional distribution during the layering process. The results show that the solid layer develops a radial mole fraction gradient; the D-atom content in the central gas becomes significantly excessive. This effect is amplified when the inner-to-outer radius ratio of the solid layer decreases and when isotopic exchange in the D–T fuel is incomplete. Such fuel inhomogeneity adversely affects fusion performance across multiple stages. The simulation approach presented here provides a quantitative tool for evaluating isotopologue fractionation in cryogenic D–T targets and offers theoretical guidance for the design and fabrication of high-performance, homogeneous targets.
慣性核融合において、重水素(D)–トリチウム(T)燃料の均質性はターゲット性能に極めて重要である。しかしながら、固化の際、アイソトポローグ分別は固体D–T層内の組成の不均一分布を誘発し、中心部のD–Tガスの平衡組成を変化させ得る。本研究は、極低温D–Tターゲット内の組成分布に及ぼすアイソトポローグ分別の影響を定量化する。熱伝達、種輸送、固化、および体積収縮を統合した包括的な数値解析フレームワークをANSYS Fluentを用いて構築し、レイヤリングプロセス中の組成分布の時間発展をシミュレーションした。結果は、固体層が半径方向のモル分率勾配を発達させることを示し、中心ガス中のD原子含有量が著しく過剰になる。この効果は、固体層の内径対外径比が減少するとき、およびD–T燃料中の同位体交換が不完全なときに増幅される。このような燃料の不均一性は、複数の段階にわたって核融合性能に悪影響を及ぼす。本シミュレーション手法は、極低温D–Tターゲットにおけるアイソトポローグ分別を評価するための定量的ツールを提供し、高性能で均質なターゲットの設計と製造に関する理論的指針を与える。