压缩氘氚球的热核燃烧特性研究

本文利用LARED-S程序模拟了等密度和等压力条件下压缩氘氚球的热核反应燃烧过程.对于等密度模型,模拟了两个具体算例,与国外计算结果进行了比较,验证了程序的可靠性.对于等压力模型,利用数值模拟给出了热核反应燃烧与压缩氘氚球初始状态之间的关系曲线,分析发现,氘氚装量、压力和主燃料密度的增加有利于提高热核反应放能和燃耗,中心热斑的温度和面密度分别达到70—80 MK和3—4 kg·m^-2时热核反应才有显著的放能,提高主燃料密度,可以适当放宽对中心热斑的点火要求.最后对实际点火靶进行了数值模拟并且与等压力模拟计算结果进行了比较分析.     

等容预压缩等离子体中的快点火热斑形成与燃烧波传播

研究热斑点火物理过程对于实现聚变点火和高增益聚变放能具有重要意义,但是,迄今为止的大部分相关研究都是针对等压构型预压缩等离子体进行的,对等容构型预压缩等离子体中的热斑点火过程研究尚不充分.本文针对双锥对撞点火方案产生的等容预压缩高密度等离子体,建立了描述热斑边界演化和核聚变燃烧的半解析模型.该模型表明,在等容预压缩高密度等离子体中的热斑边界,可以用对热斑产生的α粒子具有强烈吸收作用的激波波峰的位置来定义,且等容预压缩等离子体中的热斑点火过程也存在α粒子射程主导的自调节现象.通过考虑α粒子的空间不均匀沉积效应,可以利用该模型描述等容预压缩等离子体中热斑内部的温度和密度演化.使用该模型分析热斑在点火初期时刻的劳森参数和平均热斑温度发现,在快电子总能量相同情况下,能量较低的快电子束更有利于实现点火.辐射流体模拟程序O-SUKI-N的验证计算表明,本文提出的半解析模型的计算结果具有较强的合理性.     

直接驱动球内爆点火的数值模拟

 实现中心点火的基本条件是在内爆中心形成面密度0.3 g/cm²，温度10 keV的点火热斑。减速阶段流体不稳定性的增长，会破坏对称压缩，减小热斑体积，直接破坏点火热斑的形成，对点火构成威胁。在原有LARED-S程序的基础上，加入热核反应和α粒子加热过程程序模块，对直接驱动ICF球内爆过程进行数值模拟研究，1维模拟结果与NIF直接驱动点火靶的设计基本相符，显示α粒子加热对边缘点火起重要作用；2维模拟表明减速阶段流体不稳定性对点火有重要影响。     

非均匀混合下氘氚聚变反应速率的理论研究

激光驱动惯性约束聚变中壳层材料和聚变燃料的混合是影响聚变点火燃烧性能的关键物理问题,聚变过程中混合物形态的演化及相应热核反应速率的物理建模直接影响数值模拟的置信度,具有重要的科学意义和应用价值.本文以扩散混合机制下混合形态随时间的演化规律及其对热核反应速率的影响为研究对象,基于热力学平衡与理想气体物态方程假设,通过解析分析与一维球几何扩散方程数值解的对比研究,揭示了扩散混合主导下热核反应速率随混合形态演化的物理规律.研究发现,混合量主要通过影响燃料的体积份额直接影响热核反应速率,由混合非均匀尺度和扩散系数共同决定的扩散时间直接影响热核反应速率的时间演化行为.进一步利用蒙特卡罗方法直接模拟扩散过程得到的互扩散系数,定量分析了燃料中混入低Z、高Z材料时热核反应速率随时间演化的差异,通过与美国非均匀混合效应实验典型数值模拟结果进行对比分析,验证了理论评估的可靠性.本工作对我国惯性约束聚变混合效应实验的设计和改进具有重要参考意义.     

快重离子束实现点火的可行性

采用蒙特卡罗方法计算了低温下C,Si,Ar,Au和U等多种重粒子在等物质的量氘氚等离子体密度1000 g/cm3、热斑直径50 m中的电子能量损失,不同点火形式下入射能量和作用时间,以及燃料约束时间为20 ps条件下的束流强度。通过对数据的分析研究了这些重粒子辐照实现氘、氚燃料快点火的可能性。结果表明,重粒子束流加热等离子体实现快点火理论上可行,而且有一定的优势;较重的离子加热聚变等离子体的效果更好。重粒子束流加热等离子体到聚变温度需要的束流强度在MA左右;单个粒子的能量在GeV以上;相互作用时间为ps以下。     

混合驱动中直驱激光焦斑尺寸对点火性能的影响

研究针对混驱点火模型,保持直驱激光能量不变,针对1 200,1 400和1 500μm直驱光焦斑尺寸,采用数值模拟,研究其对点火性能的影响。研究表明：直驱光焦斑尺寸是影响混驱点火性能的敏感因素。1 500μm焦斑尺寸可实现近一维点火。1 400μm焦斑尺寸放能接近一维放能的40%。1 200μm焦斑尺寸点火失败,仅仅处于燃烧等离子体状态。分析表明,1 200μm焦斑尺寸条件下点火失败的原因是：其产生的局部强光强和高驱动不对称性,会导致燃料熵增加及燃料面密度扰动增加。燃料熵的增加将会降低燃料压缩性,不利于创造高温高压点火条件,形成的燃烧波较弱。燃料面密度扰动增加会导致燃烧后壳层不稳定性剧烈增长。推断在小焦斑尺寸条件下,弱燃烧波及高燃料面密度扰动增长,会导致高密度尖钉难以被有效点燃,无法形成升温与燃烧的正反馈。同时,燃料区域内界面不稳定性发展产生的尖钉结构将降低热斑温度,产生的气泡结构将引起热斑体积迅速变大,导致热斑快速降温乃至点火失败。     

加氚对D-3He系统聚变燃烧过程的影响

对加少量氚的D-³He聚变系统的点火燃烧过程进行了数值模拟研究,得到了有关的物理图象和一些主要计算结果。研究结果表明,加少量氚可以解决D-³He聚变系统的点火问题和加速其燃烧过程,从而提高燃耗。     

混合堆FEB—E粒子抽除和氘氚回收系统的概要设计

实验混合堆FEB依靠偏滤器排出粒子及其携带的能量。排出的粒子包括聚变反应产物α粒子、等离子体表面相互作用产物杂质以及没能产生聚变反应的氘氚燃料粒子等。FEB－E粒子抽除和燃料回收循环系统的任务是抽除上述氦灰、杂质以及大量的没能产生聚变反应的氘氚燃料粒子等燃烧废气,以能实现有效的堆芯等离子体纯度控制和密度控制;同时将排出废气中没能产生聚变反应的氘氚燃料粒子分离、纯化和回收,即实现氘氚工艺处理。     

点火靶高熵内爆的数值模拟

使用一维多群输运程序RDMG与二维少群扩散程序LARED-S对点火靶高脚与低脚内爆进行数值模拟.相对于低熵内爆,高脚高熵内爆通过提高预脉冲的辐射温度使得烧蚀面与物质界面的流体稳定性得到明显的改善,能够抑制流体不稳定的增长与热斑混合的发展.同时,高熵设计导致燃料的压缩变差,阻滞时刻燃料的压缩密度与面密度相应降低,中子产额降低.因此,高脚高熵内爆是通过牺牲燃料的高压缩,来换取靶丸内爆流体稳定性能的改善.     

间接驱动冷冻双壳层点火靶的设计和分析

双壳层靶中,由于燃料被高Z壳层包裹,其点火方式要求燃料整体点火,不同于单壳层中心热斑点火。结合点火条件和对于其中物理过程的认识,设计了间接驱动的冷冻双壳层点火靶。利用冷冻的氘氚(DT)燃料,可适当提高双壳层靶的燃料装量,获得和NIF装置条件下中心热斑点火靶相当的放能。间接驱动下,X射线烧蚀并驱动外壳层碰撞内壳层,把能量传递给内壳层,进而压缩和点燃冷冻的DT燃料。壳层碰撞过程是能量传递的关键,通过调整内外壳层的质量比,提高了碰撞效率,相应地降低了靶丸点火的能量需求。一维数值模拟分析了该点火靶的内爆过程及定性分析了其中的流体力学不稳定性。同时,也指出了泡沫中形成的辐射冲击波对内壳层的预热效应,即辐射冲击波的致稳效应,能够很好地抑制内壳层外界面处的不稳定性发展,进而会减弱高Z内壳层和燃料的混合。     

离子-电子非平衡机制降低中心热斑点火条件

提出通过离子-电子非平衡物理模型来降低惯性约束聚变中心热斑点火的聚变点火条件。在该物理模型中,强调离子比电子具备更高的温度,从而使得热斑的热核聚变反应增强,轫致辐射和电子热传导造成的能量漏失相对降低。通过对中心热斑的自加热分析和热斑燃烧动力学分析,发现相对于平衡聚变点火模型,非平衡模型可以显著扩大聚变点火区在热斑面密度和热斑温度空间的范围。同时采用LARED-S程序的数值模拟,研究了通过尖峰脉冲波形、二次冲击物理机制强化中心热斑聚变点火的非平衡性。     

On the possibility of target plasma ignition under the conditions of inertial nuclear fusion

The thermonuclear gain G for bulk and spark ignitions are calculated using a mathematical simulation of thermonuclear combustion in a DT plasma of laser targets for various parameters of the target plasma and (isobaric and isochoric) ignitors. The critical parameters of ignitors at which an effective nuclear burst occurs with G ～ 100 are calculated. It is shown that a further increase in the temperature and size of the ignitors virtually does not affect the efficiency of DT fuel burnup. Irrespective of the ignition technique, the value of G can be estimated with the help of a simple asymptotic formula. At the same time, the critical parameters of ignitors are determined to a considerable extent by the mode of ignition and by the target parameters. Spark ignition with an isochoric ignitor corresponding to the fast ignition mode is considered in detail. It is shown that the main critical parameter for optimal isochoric ignitors is their thermal energy liberated upon absorption of an auxiliary ultrashort laser pulse. The critical values of this energy are calculated.     

Shock ignition of thermonuclear fuel with high areal density

A novel method by C. Zhou and R. Betti [Bull. Am. Phys. Soc. 50, 140 (2005)] to assemble and ignite thermonuclear fuel is presented. Massive cryogenic shells are first imploded by direct laser light with a low implosion velocity and on a low adiabat leading to fuel assemblies with large areal densities. The assembled fuel is ignited from a central hot spot heated by the collision of a spherically convergent ignitor shock and the return shock. The resulting fuel assembly features a hot-spot pressure greater than the surrounding dense fuel pressure. Such a nonisobaric assembly requires a lower energy threshold for ignition than the conventional isobaric one. The ignitor shock can be launched by a spike in the laser power or by particle beams. The thermonuclear gain can be significantly larger than in conventional isobaric ignition for equal driver energy.     

α粒子的慢化过程对D-T等离子体聚变燃烧的影响

在双温聚变燃烧点模型框架下，对比D-T等离子体聚变燃烧过程中α粒子能量逐步沉积与瞬时沉积两种描述的等离子体温度、离子数密度随时间的变化，在不同的密度条件下作了计算，考察了α粒子的慢化过程对D-T聚变点火的影响.发现考虑α粒子的慢化过程后，D-T等离子体峰值温度的出现将会推迟若干皮秒甚至几十皮秒，在较低的初始温度密度条件下，时间推迟得更多些.等离子体的峰值温度比α粒子能量瞬时沉积描述也会下降13keV左右. 关键词： α粒子 聚变燃烧 能量沉积 慢化过程     

弹粘塑性双球壳塌缩热点反应模型

 基于Kim的弹粘塑性单球壳塌缩模型,考虑PBX炸药中的粘结剂效应,假设炸药和粘结剂均为弹粘塑性材料,建立了弹粘塑性双球壳塌缩热点反应模型,给出了炸药球壳在冲击压力作用下的速度、应变、温度和化学反应速率的时空分布,以及新的热点反应速率理论表达式。把新的热点反应项与Kim的低压下慢反应项和张震宇提出的高压反应速率方程相结合,得到了新的冲击起爆三项式细观反应速率模型。把该模型加入DYNA2D中,模拟了PBX-9501炸药的一维冲击起爆过程,结果表明：该模型除了可以解释炸药颗粒度和孔隙度的影响外,还可以较好地描述粘结剂强度和含量对PBX炸药冲击起爆感度的影响。     

点火靶驱动不对称性与表面粗糙度的模耦合模拟

使用二维辐射多群扩散流体力学程序LARED-S对点火靶内爆进行大规模数值模拟,同时考虑低阶辐射驱动不对称性和中高阶的表面粗糙度.计算结果表明：靶丸内爆流场不仅出现严重的低阶模面密度扰动,同时生成大幅度的尖钉与气泡结构;呈现明显的扰动模耦合效应,模耦合生成的扰动增长幅度与理论公式在一定时间内较好地吻合.在内爆减速阶段,扰动增长发展到强非线性阶段,模耦合效应使得扰动频谱分布变宽;同时芯部的涡流使得靶壳的尖钉弯曲,内爆流场出现明显的湍流混合现象.模耦合效应与湍流混合极大地降低了内爆性能,导致点火失败.