激光等离子体中高能电子各向异性压强的粒子模拟

直接驱动惯性约束聚变(ICF)的实现需要对靶丸进行严格的对称压缩,以达到自持热核反应(点火)所需的条件.快点火方案的应用降低了对靶丸压缩对称性以及驱动能量的要求,但压缩及核反应过程中良好的靶丸对称性无疑有助于核反应增益的提高.本文研究了快点火方案中高能电子注入高密等离子体后导致的各向异性电子的压强张量.这一现象存在于ICF快点火方案中的高能电子束"点火"及核反应阶段.鉴于高能电子加热离子过程以及靶丸核反应自持燃烧过程的时间较长,高密靶核会由于超高的各向异性压强的作用破坏高密靶丸的对称性,降低核燃料密度,进而降低了核燃料燃烧效率以及核反应增益.     

惯性约束聚变点火靶候选靶丸特点及制备研究进展

获得能量增益实现点火是目前激光惯性约束聚变领域研究的主要方向和标志性成果. 在点火靶的设计中有多种可能的候选靶丸,包括碳氢掺杂锗、铍掺杂铜、聚酰亚胺、 碳化硼和金刚石靶丸,其中碳氢和铍靶丸是最主要的候选靶丸.文中主要总结了几种候选靶丸的优缺点及目前研制现状.在国外,碳氢靶丸是目前点火靶的首选靶丸. 与铍靶丸相比,不存在明显的微结构缺陷,制备较容易;靶丸光学透明, 适宜于燃料分层和表征;靶丸在制备上更容易达到点火靶要求. 美国的碳氢点火靶靶丸基本达到了设计要求,这些要求包括几何尺寸、壳层密度、 壳层缺陷、表面光洁度、掺杂水平和杂质含量等.我国的点火靶靶丸研究还处在起步阶段.     

快点火与超强激光等离子体相互作用问题

“快点火”是近年来提出的激光聚变点火的一种新方式。它的特点是靶丸的压缩和点火分开进行：第一步由通常的多束激光对称辐照靶丸获得高密度;而后由单束超强激光（Iλ≈10^18-20Wum^2/cm^2)加热芯部实现点火。第传统的“热斑点火）比较,快点火在压缩方面具有很多优越性：大量节省驱动能量,降低了对驱动均匀性的要求,并且可以达到更高的能量增益。但是超强激光点火却涉及一些非常复杂的问题：在预压缩形成的等郭体中打洞（hole boring);在高密度燃料的边沿产生足够数量的高能量电子（MeV）,这些电子的传输加热等。文章简短地讨论了这些问题,并研究了几十kJ激光能量实现点火的可能性。     

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。     

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.     

针对神光II升级装置的直接驱动快点火集成实验靶的初步设计

神光II激光装置升级完成后,激光能量将大幅提高,同时配备皮秒拍瓦激光束,能够满足快点火研究在万焦耳级平台开展集成实验的需求.神光II升级装置设计原则是以间接驱动为主,兼顾直接驱动.尽管直接驱动只是替代方案,然而由于直接驱动在快点火预压缩中具备一定优势,如能量利用率较高、对快点火导引锥预热较少、便于诊断等,因此需要探索基于神光II升级装置的直接驱动快点火靶设计.本文针对神光II升级装置的激光条件,利用辐射流体程序Multi1D对集成实验用快点火直接驱动靶的尺寸进行了初步内爆压缩设计和优化.在激光条件固定的情况下,优化无充气单层靶球的半径、厚度,尽可能实现高的密度、面密度.得到最优靶参数为外半径420μm,壳层厚度35μm,与靶球定标关系验证一致.根据超热电子定标关系,计算表明压缩过程实现的最高面密度与皮秒拍瓦激光产生的超热电子射程基本匹配.     

高温烧蚀初始印记及其发展的研究

直接驱动惯性约束聚变（ICF）中，高温烧蚀初始印记（Imprint）产生的密度调制经过瑞和泰勒（RT）不稳定性发展得到放大，会破坏对称压缩，降低聚变增益，甚至导致点火失败。为此，从实验上研究了调制深度约为1／5的正弦调制激光作用厚CH靶（驱动激光结束时刻，靶背未开始移动）时的Imprint及其发展情况，并进行了初步的模拟计算分析。     

超音速等离子体点火过程的三维数值模拟

为了研究等离子体点燃超音速混合气流的过程,设计并验证了超音速燃烧室的三维计算模型,计算出了燃烧室等离子体点火时的流场参数和化学反应规律,分析了等离子体点火对燃烧室内燃烧的影响。计算结果表明:高温等离子体射流的滞止作用通过增加混合气在燃烧室内的停留时间提高了点火效率; 等离子体点火时燃烧区域的压力扩散比较充分,内部为压力相对平衡的低速流动; 高温等离子体射流高速射向混合气流时产生的速度矢量偏移扩大了点火面积,从而使点火效率得到提高; 氢气、空气燃烧的燃烧产物主要是水,燃烧区域局部温度主要受局部放热反应的影响。     

醇基燃料高效燃烧智能控制器

目前醇基燃料的燃烧需要人工点火,手动调节油阀来控制燃料流量,危险性较大、不易控制且燃烧效率较低,用户达不到节约成本的目的。为了解决此问题,设计了醇基燃料高效燃烧智能控制器,给出了该控制器系统、软件的组成以及检测结果。测试结果表明,该控制器能够完全实现自动点火,且大大提高了醇基燃料的燃烧率,达到节能的目的,具有广阔的市场前景。     

微波等离子体点火的试验研究

建立了微波点火试验平台,实现了定容燃烧弹内的可燃混合气的微波点火燃烧。研究了不同初始压力、混合气浓度条件下的微波点火燃烧特性。试验结果表明,微波谐振产生等离子体可以在相对燃空当量比为0.65的稀薄混合气条件下实现稳定甲烷点火燃烧。当初始压力较低时,混合气容易被击穿,产生大量等离子体;当初始压力较高时,混合气难以被击穿,但着火后的燃烧速度较快。     

通过理论定标律研究激光间接驱动的参数空间

系统地梳理了激光间接驱动点火靶内爆压缩的物理过程,使用理论方法和一维流体力学模拟给出了靶丸内爆过程中的关键定标律公式。通过这些定标律公式获得了在给定黑腔辐射温度、飞行熵增因子、整形速度和烧蚀材料的条件下,靶丸装量——半径参数空间的点火岛区域。研究了靶丸性能参数随辐射温度、飞行熵增因子等的变化规律:当靶丸所处黑腔辐射温度升高时,内爆的稳定性将变好;设计上在靶丸装量不变的条件下,靶丸半径需要减小。当靶丸的飞行熵增因子增大时,内爆增益略微减小,内爆稳定性变好;但是点火阈值因子减小导致点火岛的区域变窄。当靶丸的整形速度增大时,点火岛的区域略微变大,内爆稳定性变化不显著;设计上在靶丸装量不变的条件下,需要增大靶丸半径,这会导致靶丸壳层形状因子变大。当改变靶丸烧蚀材料,提高质量烧蚀速率与烧蚀压时,能量增益变大且稳定性增强;设计上在靶丸装量不变的条件下,需要减小靶丸半径。     

预混气体自由基点火的机理研究

本文通过渐近理论分析研究了预混气体的自由基点火。采用包含自由基动力学的两步化学反应,基于火焰球模型,推导出了描述火焰球半径随热点火能和自由基点火能以及燃料与自由基的Lewis数的关系式。并在此基础上分别分析了不存在热点火和存在热点火时自由基点火的临界条件,研究了燃料与自由基的Lewis数对最小自由基点火能的影响。研究结果表明:仅存在自由基点火时,最小自由基点火能随着自由基Lewis数的增加而减小,但燃料Lewis数对最小自由基点火能无影响。     

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。     

收缩楔腔内激波汇聚诱导点火实验

文章提出了一种采用圆柱形汇聚激波实现可燃气体点火特性研究的新方法.通过采用激波动力学理论合理地设计壁面型线, 将激波管中产生的平面运动激波近乎连续地转变为扇形区内圆柱形汇聚激波.以氢氧预混气体为考察对象, 开展了相关激波管实验, 实现了可控圆柱面激波汇聚诱导点火.实验发现两种点火现象:强点火和弱点火.在强点火过程中, 点火由入射激波直接诱导产生; 而在弱点火过程中, 点火则是在波后气流经历热压缩过程后发生.      

多次冲击波压缩DT冰理论研究

 冲击波压缩DT是ICF内爆过程中的主要熵增因素,如何用有限数目的时间整形冲击波实现近等熵压缩过程是优化点火靶设计的关键。利用理想气体和实际DT状态方程,计算系列冲击波压缩后的熵增和密度变化,分析表明,当第一个冲击波压强不大于0.1 TPa,后续再用3个冲击波达到10 TPa,总熵增不影响点火靶DT压缩性能,增加冲击波个数对DT熵增和压缩度改善效果很小。     

神光Ⅱ升级装置锥壳靶间接驱动快点火集成实验

在神光Ⅱ升级装置上完成了国际上首次间接驱动快点火集成实验。实验采用双台阶脉冲整形激光注入黑腔产生X射线准等熵压缩锥壳靶,实现了高密度压缩,然后采用皮秒超短脉冲激光注入加热燃料。实验中观测到中子产额由皮秒激光注入前的5×103增加到2.2×105,中子产额增益达到44倍,实验证实了皮秒激光具有明显燃料加热效果。该实验为进一步开展快点火热斑形成效率和相关物理研究奠定了基础。     

激光聚变冲击点火物理特性研究

冲击点火是一种新型的惯性约束聚变点火方案,该点火方案具有低点火能量阈值、高增益和较好的流体力学稳定性等优点.本文针对冲击点火的物理特性进行理论分析和数值模拟.首先以一维平板模型对冲击波碰撞的物理过程进行理论研究和分析;然后通过辐射流体力学数值模拟对冲击点火的物理特性进行研究,验证理论分析结果,并考察冲击加载时间对点火的影响. 关键词： 冲击点火 冲击波碰撞 辐射流体力学模拟     

聚变堆与聚变堆材料——D-^3He先进燃料靶惯性约束聚变的燃耗和增益

本文研究采用大功率激光束压缩球形均匀D-^3He先进燃料靶聚变，推导和计算了这种惯性约束聚变（ICF）的靶丸燃耗和增益，数值计算表明，只有在小火花内能和较高惯性约束参数HF近似下，对典型的堆系统效率参数，才有可能使D-^3He靶ICF系统有大的净能量输出。相反，在大火花内能和低HF近似下，D-^3He靶ICF系统几乎不可能得到净的能量输出，从而证明了快点火思维方法的科学依据。     

惯性约束聚变中氘氚燃料整体点火与燃烧条件研究

在局域热动平衡近似下, 利用能量平衡关系, 建立热核系统整体点火能量平衡方程, 对该方程求解得到热核反应系统点火阈值. 在计算和分析的基础上给出参数空间的点火关系, 以及该条件受装量、核子数比以及返照率等因素的影响情况. 点火时刻面密度越大, 则对应的点火温度越低, 并且电子-辐射温度脱离越小, 越接近三温平衡的点火状态; 反之则在点火时刻对应较大温度脱离. 更重要的是, 该分析方法还可以根据点火时刻系统的物理状态, 通过线性稳定性分析方法, 描述出系统的后续行为, 也就是说, 可以判断出这样的热核系统能否继续升温并实现深度燃烧.     

超声速预混可燃气流的点火与燃烧

在激波风洞一激波管组合设备上开展了碳氢燃料超声速预混可燃气流的点火与燃烧实验研究。实验结果表明:利用激波对燃料进行预热,并以高温燃气作为引导火焰,可以有效缩短汽油空气超声速可燃混气的点火延迟时间,使之缩短到 0.2 ms以下。利用纹影照片对超声速燃烧流场结构作出了分析;研究了超声速预混可燃气流的温度以及当量比对超声速燃烧流场结构、点火与火焰传播特性的影响。