靶丸支撑膜对ICF内爆性能影响的模拟研究

使用二维多群辐射扩散流体力学程序LARED-S，模拟研究靶丸支撑膜在惯性约束聚变氘氘（DD）气体靶内爆过程中的扰动演化过程及其对内爆性能的影响.二维模拟表明：靶丸支撑膜显著降低DD气体靶内爆的中子产额，二维模拟产额为一维结果的55.2%.内爆性能下降的主要物理机制是支撑膜使靶壳生成大幅度的尖钉深入DD气体区，使烧蚀层与DD气体之间物质界面处的电子热传导漏失功率显著增大，导致DD核反应速率显著降低，中子反应速率峰值时刻（bang-time时刻）提前.相比一维理想内爆的模拟结果，支撑膜引入的扰动显著降低bang-time时刻DD气体压强与内爆动能转化为DD气体内能的效率，壳层剩余动能相应大幅增加.     

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。     

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。     

点火内爆靶辐射驱动不对称性全过程数值模拟

为满足分层掺杂点火内爆靶辐射驱动不对称性全过程物理分析的需求,在激光聚变二维总体程序LARED集成上发展了辐射输运建模下的多介质ALE方法-RTALE(Radiative Transfer Arbitrary-Lagrangian-Eulerian)。为提高多介质ALE方法的健壮性,发展了驰豫网格重构算法,该重构算法生成的新网格能自适应流场的变化。数值模拟了激波与气柱相互作用的RM不稳定性实验,模拟的气泡变形程度与试验结果基本一致,其中驰豫网格重构算法中的驰豫因子能够很好地反映流场密度梯度。基于辐射多群输运建模的LARED集成程序能够完整模拟辐射驱动不对称性条件下掺杂点火靶二维内爆过程,克服了传统ALE方法计算不下去和算不好的困难,界面变形程度也符合物理分析。     

激光聚变内爆流体不稳定性基础问题研究进展

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题,因而受到国际社会的普遍重视,一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍（属于内禀困难）是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制,对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科,同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题,高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外,流体力学不稳定性及其引起的湍流混合,还是天体物理现象（如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸）中的重要过程,涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展,梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性,在大量分解和综合物理研究基础上,凝练出了目前制约美国国家点火装置（NIF）内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来,总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后,展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制,以及聚变靶物理研究与设计,注重理论探索和实验研究相结合,近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果,有力地推动了该研究方向在国内的发展。     

氘氘冰层贯穿性缺陷对ICF冷冻靶内爆性能的影响

使用二维多群辐射扩散流体力学程序LARED-S, 模拟研究DD冰贯穿性缺陷在方波驱动DD冷冻靶内爆过程中的演化行为及其对内爆性能的影响。模拟结果表明: DD冰层贯穿性缺陷显著降低DD冷冻靶内爆的中子产额, 二维模拟产额仅为一维结果的23.8%。DD冰层贯穿性缺陷使靶丸CH(Si)的烧蚀层生成大幅度的尖钉, 穿透到芯部热斑区。在中子bang-time时刻, 热斑区混入了487 ng的烧蚀物质, 使芯部韧致辐射漏失功率相对一维理想内爆显著升高, 离子温度与DD核反应速度相应降低。同时, 高密度的烧蚀层尖钉把DD热斑推离球心, 显示明显的P1不对称性, 而且高温热斑具有定向流动速度, 降低了内爆动能转化为热斑内能的效率。     

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.     

Studying Validity of Single-Fluid Model in Inertial Confinement Fusion

The validity of single-fluid model in inertial confinement fusion simulations is studied by comparing the results of the multi- and single-fluid models. The multi-fluid model includes the effects of collision and interpenetration between fluid species. By simulating the collision of fluid species, steady-state shock propagation into the thin DT gas and expansion of hohlraum Au wall heated by lasers, the results show that the validity of single-fluid model is strongly dependent on the ratio of the characteristic length of the simulated system to the particle mean free path. When the characteristic length L is one order larger than the mean free path A, the single-fluid model＇s results are found to be in good agreement with the multi-fluid model＇s simulations, and the modeling of single-fluid remains valid. If the value of L/A is lower than 10, the interpenetration between fluid species is significant, and the single-fluid simulations show some unphysical results; while the multi-fluid model can describe well the interpenetration and mix phenomena, and give more reasonable results.     

ICF点火靶定标关系与稳定性优化设计研究

激光等离子体相互作用(LPI)和瑞利-泰勒流体不稳定性(RTI)是影响间接驱动惯性约束聚变成功的两个主要不确定性因素。点火黑腔内环激光通道在靠近黑腔壁的区域是内环激光SRS背反产生与发展的主要区域。内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡条件。据此提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。结合描述靶丸内爆飞行阶段物理以及内爆性能的两个定标关系,提出了描述稳定性相对性能的指标。该指标可以指导点火靶设计,为LPI和RTI提供需要的裕量空间,是点火阈值因子(ITF)的补充。     

A new ignition hohlraum design for indirect-drive inertial confinement fusion

In this paper,a six-cylinder-port hohlraum is proposed to provide high symmetry flux on capsule.It is designed to ignite a capsule with 1.2-mm radius in indirect-drive inertial confinement fusion(ICF).Flux symmetry and laser energy are calculated by using three-dimensional view factor method and laser energy balance in hohlraum.Plasma conditions are analyzed based on the two-dimensional radiation-hydrodynamic simulations.There is no Y_(lm)(l≤4) asymmetry in the six-cylinder-port hohlraum when the influences of laser entrance holes(LEHs) and laser spots cancel each other out with suitable target parameters.A radiation drive with 300 eV and good flux symmetry can be achieved by using a laser energy of 2.3 MJ and peak power of 500 TW.According to the simulations,the electron temperature and the electron density on the wall of laser cone are high and low,respectively,which are similar to those of outer cones in the hohlraums on National Ignition Facility(NTF).And the laser intensity is also as low as those of NIF outer cones.So the backscattering due to laser plasma interaction(LPI) is considered to be negligible.The six-cyliner-port hohlraum could be superior to the traditional cylindrical hohlraum and the octahedral hohlraum in both higher symmetry and lower backscattering without supplementary technology at an acceptable laser energy level.It is undoubted that the hohlraum will add to the diversity of ICF approaches.