预加热效果对磁化套筒惯性聚变放能影响的模拟研究

得益于预加热和轴向磁场的作用,理论上磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型能有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力。然而,当前研究过于重视对激光能量沉积效率的提升,而忽略了预加热自身参数对MagLIF过程和内爆结果的影响。为此,采用一维集成化数值模拟程序MIST,开展了MagLIF过程中预加热效果对聚变放能影响的模拟研究,基于参数扫描方法,从简单的模型着手,逐步深入探讨相关参数对内爆结果的影响。模拟结果表明:预加热是MagLIF构型能够成功的必要条件,最佳时间是套筒即将开始向内压缩燃料的时刻;燃料预加热的设计原则是让燃料获得尽可能平缓分布的高温,而中心局部加热方式对于未能达到点火条件的负载更有优势;激光预加热模式下,脉宽越短越好,对于以ZR装置驱动能力为目标的算例而言,最佳套筒高度为1.0 cm。研究结果有助于加深对MagLIF过程中预加热机制和效果的认知和理解,对于具体的负载参数设计也有较强的指导意义。     

磁化套筒惯性聚变研究进展

磁化套筒惯性聚变（MagLIF）是一种新的聚变构型,它结合了传统惯性约束聚变和磁约束聚变的优点,理论上可以显著地降低聚变实现的难度,未来必将朝着点火的目标进一步发展,具备极大的应用潜力。针对这一特殊构型,分别从理论、实验和工程三个部分介绍了国际上该领域主要的研究进展,内容覆盖理论研究、数值模拟、实验加载、测量与诊断、负载设计与加工、分解实验、构型改进等多个方面,通过该文能够对该领域的研究现状有相对完善的了解,对未来发展趋势也有一定的认知。

     

磁化套筒惯性聚变初步探索研究与实验可行性分析北大核心CSCD

磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型可充分利用现有大型脉冲功率驱动装置,如聚龙一号等。基于磁流体力学方程组和1∶1比例氘氚(DT)混合燃料聚变模型,开发了零维MagLIF数值模拟程序并进行了初步探索研究。计算结果表明初始负载参数(如轴向磁场强度,预加热温度、时刻,负载半径等)与聚变产额之间有着密切的联系,在给定条件下,可依据计算给出的定性关系进行负载优化设计。值得注意的是,根据计算结果,即使在理想条件下,氘氚燃料要实现能量收支平衡,则驱动器的电流必须大于21.2 MA。这意味着聚龙一号装置(10 MA)无法开展集成化的MagLIF实验,进一步的校验计算验证了上述观点,并在此基础上提出铝套筒分解实验的建议和负载设计参数。所取得的计算结果有利于加深对MagLIF套筒压缩阶段物理过程的认知和理解。     

磁化套筒惯性聚变初步探索研究与实验可行性分析

磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型可充分利用现有大型脉冲功率驱动装置,如聚龙一号等。基于磁流体力学方程组和1∶1比例氘氚(DT)混合燃料聚变模型,开发了零维MagLIF数值模拟程序并进行了初步探索研究。计算结果表明初始负载参数(如轴向磁场强度,预加热温度、时刻,负载半径等)与聚变产额之间有着密切的联系,在给定条件下,可依据计算给出的定性关系进行负载优化设计。值得注意的是,根据计算结果,即使在理想条件下,氘氚燃料要实现能量收支平衡,则驱动器的电流必须大于21.2 MA。这意味着聚龙一号装置(10 MA)无法开展集成化的MagLIF实验,进一步的校验计算验证了上述观点,并在此基础上提出铝套筒分解实验的建议和负载设计参数。所取得的计算结果有利于加深对MagLIF套筒压缩阶段物理过程的认知和理解。     

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。     

磁化套筒惯性聚变一维集成化数值模拟

磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion,MagLIF)结合了传统磁约束聚变和惯性约束聚变的优点,理论上可以显著地降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力.以研究MagLIF中的关键问题为目标,建立能够综合考虑磁化、预加热、套筒内爆、聚变反应、端面效应、磁通压缩等多种复杂机制在内的集成化物理模型,特别是通过引入流体喷射模型,使得可以在一维计算条件下考虑具有二维特性的端面损失情况,并额外考虑Nernst扩散项对磁通损失的影响.在此基础上编写实现一维集成化MagLIF数值模拟程序MIST(magnetic implosion simulation tools),与FP-1装置(2 MA,7.2μs)上铝套筒内爆实验结果的对比验证了程序磁流体模块的正确性;将聚变模块纳入后与国外同类程序LASNEX和HYDRA计算结果进行整体比较,所得数值结果总体接近,主要差异体现在燃料温度的计算上,对可能影响的原因进行了简要分析.所建立的集成化模型与程序将为未来开展MagLIF聚变实验研究提供坚实的理论基础和重要工具.     

二维三温流体力学高性能计算方法研究及程序研制

靶球在辐射驱动下内爆的物理过程是惯性约束聚变（ICF）研究的重要组成部分之一。由于流场的大变形和物理力学过程的复杂性,相关的数值模拟具有相当大的难度。根据研究工作的需求,符尚武等人克服了数值模拟方法上的重重困难,研制成功了二维三温流体动力学程序-LARED-I第一版。该程序是ICF数值模拟中主要的大型程序之一,在应用中取得了多方面的成果。     

磁化套筒惯性聚变中轴向磁场演化特征与Nernst效应影响

轴向磁场是磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion, MagLIF)有别于其他惯性约束聚变构型的主要标志之一.本文在建立集成化物理模型并编写一维模拟程序的基础上,通过对ZR装置驱动能力下典型MagLIF负载参数的模拟,系统研究并获得MagLIF各个阶段轴向磁场演化与分布特征,发现预加热引起的压力不平衡导致燃料中磁通保有量并未呈现随时间单调递减的关系,而是反复震荡甚至出现局部短时间内反而增加的演化曲线.通过在磁场演化方程中引入控制项来讨论Nernst效应的影响,计算结果表明随着初始磁场强度降低(30, 20, 10 T), Nernst效应越发明显,磁通损失增大(28%, 44%, 73%), a粒子能量沉积比例则大幅降低(44%, 27%, 4%),因此初始磁场强度不宜太低;预加热结束后应使燃料中温度径向分布尽量均匀、平缓,有助于减少Nernst效应的影响.所取得的研究结果有助于加深对MagLIF中磁通压缩和磁扩散过程的物理图像认知和理解,对未来实验负载参数设计也有重要的指导作用.     

磁化套筒惯性聚变中端面损失效应的一维唯象模型与影响分析

得益于激光预加热和轴向磁场的作用,磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion,MagLIF)构型理论上能有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力.本文选择MagLIF过程中伴随激光预加热所必然存在端面损失效应作为研究目标,搭建了能够描述几何参数与腊肠不稳定性等高维效应的一维唯象物理模型,并分别通过与二维流体动力学程序和国外同类程序的计算对比完成参数拟合校验;在此基础上,获得端面损失效应对MagLIF内爆过程及预加热效果的影响规律.计算结果表明:不同喷射半径下MagLIF负载在内爆过程的绝大多数时间内保持了相近的流体动力学演化过程,并在迟滞阶段经历了相同的质量损失比例,且考虑端面效应后得到的预加热和内爆产额相对变差,但却不改变规律性的趋势.所建立的模型与结论有助于加深对MagLIF预加热和端面损失过程中物理图像的认知和理解.     

激光间接驱动惯性约束聚变二维总体程序——LARED集成程序

介绍了辐射流体力学程序LARED集成程序的物理背景、模型方程、数值方法和数值算例。该程序主要应用于激光间接驱动惯性约束聚变的二维整体模拟,兼顾激光直接驱动、辐射驱动靶丸内爆过程和流体不稳定性等物理过程的数值模拟。通过与实验数据、一维辐射流体力学程序进行比对,验证了程序的可靠性。该程序实现了多群输运建模下NIF点火靶的全过程数值模拟,并已应用于惯性约束聚变的物理研究。     

受控核聚变两大途径的对比与结合

目前人们探索受控核聚变主要是从两个方向着手：磁约束受控核聚变和惯性约束受控核聚变，但目前还无法判定到底哪一种途径更为可取，文章首先对这两种途径进行对比，指出各自的特点和困难，在此基础上提出了一种结构相对简单，成本相对较低的三轴六极磁镜系统设想，希望能将磁约束和惯性约束和惯性约束结合起来，以实现受控核聚变反应。     

激光惯性约束聚变中光学汤姆逊散射研究进展

当前,激光惯性约束聚变在越来越接近点火的极端能量密度条件下,实验与模拟的偏离逐渐增大,一个关键原因是缺乏对黑腔等离子体状态及其影响黑腔能量学和内爆对称性的细致研究和判断。光学汤姆逊散射主动式、诊断精确、参数完备的优点,使之成为激光惯性约束聚变黑腔等离子体状态参数精密诊断的标准方法。中国面向激光惯性约束聚变研究的光学汤姆逊散射实验技术的发展与神光系列激光装置的建设和在其上开展的物理实验紧密相关。近年来,四倍频汤姆逊散射实验技术在神光III原型和100 kJ激光装置上相继建立,部分实验结果不仅加深了对激光惯性约束聚变靶物理的认识,还反映了实验条件对汤姆逊散射诊断的影响,促进了实验技术的精密化发展。在未来,还需要进一步发展多支路汤姆逊散射、五倍频汤姆逊散射和超热相干汤姆逊散射等新技术,面向点火黑腔条件,大幅提升激光等离子体状态参数的诊断精度,开展新物理机制的探索和研究,在激光惯性约束聚变和其他高能量密度物理科学领域发挥更重要的作用。     

视角因子方法在间接驱动ICF中的应用

采用视角因子方法,对间接驱动惯性约束聚变(ICF)过程中从腔内壁辐射到靶丸表面的辐射进行了计算,并分析了激光原型装置上的一个实验的对称性环境。间接驱动ICF系统的不对称性一般来自于激光焦斑和腔体的几何结构,利用视角因子方法,计算X光能量在腔体内的强度分布,将靶丸表面的驱动对称性表示成腔体结构和激光焦斑几何参数的函数。结果表明,采用该方法的程序模拟能够评估腔靶设计的主要参数。     

热辐射输运问题的隐式蒙特卡罗方法求解

热辐射与物质相互作用及辐射光子在物质中的传输是惯性约束聚变研究中的重要课题. 介绍了基于隐式蒙特卡罗方法的辐射输运方程,在该方程的积分-微分形式基础上,推导了利于蒙特卡罗方法模拟的等价的积分输运方程;基于积分方程设计数值模拟流程,编写三维蒙特卡罗数值模拟程序;针对热辐射输运典型问题及benchmark问题开展了数值实验,计算结果验证了方法的适应性及程序的正确性. 关键词： 热辐射 惯性约束聚变 输运方程 隐式蒙特卡罗     

视角因子方法在间接驱动ICF中的应用

采用视角因子方法,对间接驱动惯性约束聚变(ICF)过程中从腔内壁辐射到靶丸表面的辐射进行了计算,并分析了激光原型装置上的一个实验的对称性环境。间接驱动ICF系统的不对称性一般来自于激光焦斑和腔体的几何结构,利用视角因子方法,计算X光能量在腔体内的强度分布,将靶丸表面的驱动对称性表示成腔体结构和激光焦斑几何参数的函数。结果表明,采用该方法的程序模拟能够评估腔靶设计的主要参数。     

一维磁化套筒惯性聚变模拟程序的设计与校验

在调研跟踪国外磁化套筒惯性聚变(MagLIF)研究领域最新进展的基础上,以一维磁流体力学方程为基础,结合氘氚燃料能量交换方程,建立一维磁化套筒惯性聚变物理模型,并使用Fortran语言编写完成一维数值模拟程序MagLIF-1D;通过与圣地亚实验室LASNEX,HYDRA等程序计算结果对比展示,完成程序校验工作,讨论后认为程序计算结果存在差异的主要原因可能来自不同程序对于材料状态方程库的选择;通过计算,MagLIF-1D程序可以直接获得内爆速度、燃料压力、燃料密度、聚变产额等关键物理量,这为后续更好地开展磁化套筒惯性聚变实验设计提供了有力工具。     

激光间接驱动惯性约束聚变二维总体程序——LARED集成程序

介绍了辐射流体力学程序LARED集成程序的物理背景、模型方程、数值方法和数值算例。该程序主要应用于激光间接驱动惯性约束聚变的二维整体模拟,兼顾激光直接驱动、辐射驱动靶丸内爆过程和流体不稳定性等物理过程的数值模拟。通过与实验数据、一维辐射流体力学程序进行比对,验证了程序的可靠性。该程序实现了多群输运建模下NIF点火靶的全过程数值模拟,并已应用于惯性约束聚变的物理研究。     

高阶FD-WENO格式在数值求解Rayleigh-Taylor不稳定性问题中的应用

用高阶加权本质上无振荡有限差分格式(FD-WENO),求解重力作用下高密度比二维流体界面Rayleigh-Taylor不稳定性问题及激光烧蚀Rayleigh-Taylor不稳定性问题,均获得较为理想的数值结果.