辐射驱动内爆温度源脉冲整形研究

辐射驱动温度源脉冲整形是获得高压缩比的重要途径。本文从脉冲整形的基本原理出发, 采用数值模拟方法, 给出适合于神光Ⅲ装置内爆实验的辐射驱动温度源脉冲整形曲线。     

辐射驱动内爆最大压缩时刻芯部状态的研究

辐射驱动内爆最大压缩时刻芯部的状态的研究是惯性约束聚变（ICF）研究中的核心的研究内容．芯部的状态是指温度和密度．利用MultilD模拟的芯部温度和密度的空间分布,通过局域热平衡模型计算了芯部区域归一化的发射强度的空间分布,提出了芯部的温度和密度的空间分布满足高斯分布的假设,采用参数最优化算法,可以推断芯部的温度和密度空间分布的峰值和半高宽．SGIII原型装置上的内爆芯部发射实验处理结果表明,芯部的温度峰值为1．7keV,密度峰值为1．2g／cm3,温度和密度分布的半高宽分别为20μm和18μm．     

神光II装置辐射驱动内爆对称性的研究

 对神光II条件下辐射驱动内爆的不对称性进行了二维数值模拟。模拟结果表明，靶妨内爆的不对称性对辐射温度的不均匀性非常敏感，DT平均压缩度则对其不敏感。同时，内爆不对称性对中子产额和内爆效率有一定的影响。辐射驱动内爆的不对称性可以利用辐射温度源的时间调制得到明显的改善。     

神光II装置辐射驱动内爆对称性的研究

对神光II条件下辐射驱动内爆的不对称性进行了二维数值模拟。模拟结果表明,靶妨内爆的不对称性对辐射温度的不均匀性非常敏感,DT平均压缩度则对其不敏感。同时,内爆不对称性对中子产额和内爆效率有一定的影响。辐射驱动内爆的不对称性可以利用辐射温度源的时间调制得到明显的改善。     

辐射驱动内爆流线实验测量

内爆速度的测量是惯性约束聚变研究中的核心问题, 是判断聚变点火反应的关键物理量. 在神光II激光装置上, 利用KB显微镜配合时间分辨为10 ps的条纹相机, 对1600 J激光能量注入, 3倍频, 脉宽为1 ns黑腔辐射驱动CH靶球, 获得了清晰的辐射驱动内爆流线轨迹X射线图像. 通过流线轨迹图像给出了最大内爆速度为160 km/s. 利用Multi1D程序对内爆压缩流线和壳层速度变化进行了模拟, 实验数据和理论模拟较符合.     

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。     

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。     

靶球压缩二维数值模拟比对研究

利用轴对称二维数值模拟程序Ｌａｒｅｄ－Ⅰ,对两端单环激光入射产生的辐射场驱动下的靶球进行了数值模拟,给出了靶球二维变形的计算结果。随着入射激光焦斑位置的改变,辐射场在靶球表面的温度分布随之相应改变,驱动靶球内爆压缩氘气区分别成为铁饼形、香肠形或球形。将数值模拟结果与美国ＬＬＮＬ实验室的实验结果及其Ｌａｓｎｅｘ程序的数值模拟结果进行了比对,得到了定性上完全相同的结论和接近的数值结果。从数值模拟结果可以看出,在单环入射的情况下,尚无法消除辐射场的高阶不对称性,无法满足球形对称均匀压缩的要求。     

球坐标下二维激光驱动内爆的数值模拟

概述了球坐标下二维内爆动力学研究的物理问题和使用的计算方法.讨论了用隐式完全守恒差分格式求解流体力学方程组,用变分原理求解热传导方程等特点.给出了数值模拟的算例,以考查激光不对称性对直接驱动内爆过程的影响.     

辐射驱动内爆温度源脉冲整形研究

辐射驱动温度源脉冲整形是获得高压缩比的重要途径。本文从脉冲整形的基本原理出发，采用数值模拟方法，给出适合于神光Ⅲ装置内爆实验的辐射驱动温度源脉冲整形曲线。     

Z箍缩内爆的MARED程序数值模拟分析

MARED程序是模拟Z箍缩内爆过程的二维三温辐射磁流体力学程序,它适用于不同装置条件和不同负载参数.利用MARED程序对Z箍缩内爆进行模拟,结合丝阵Z箍缩实验分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X射线辐射功率远大于铝丝阵产生的X射线功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到的X射线功率越低;X射线功率随着负载电流增加而增加.MARED程序能够较好地反映Z箍缩内爆动力学过程,特别是不稳定性发展的二维图像,能够给出与不稳定性简化模型的理论分析及实验结果定性一致的演化规律.MARED程序模拟丝阵填充泡沫形成辐射场的初步计算得到了与Sandia实验室模拟Z装置上丝阵填充泡沫定性一致的结果.     

直接驱动柱内爆流体力学不稳定性数值模拟

 给出了LARED-S程序对直接驱动柱内爆流体力学不稳定性模拟的物理方程，介绍了一种直接驱动柱内爆靶的结构，给出了模拟中使用活动网格追踪和其他一些需要注意的问题。对OMEGA激光器直接驱动柱内爆实验物理模型进行了简化处理：使用理想气体状态方程，假设烧蚀层、标识层和内部填充材料为同一介质，只在密度上有差别；采用全电离和单温近似，在内爆过程中仅考虑热传导过程而忽略辐射和非局域电子热传导等过程的影响。模拟结果表明：LARED-S程序与LASNEX程序的计算结果基本上符合。     

直接驱动柱内爆流体力学不稳定性数值模拟

给出了LARED-S程序对直接驱动柱内爆流体力学不稳定性模拟的物理方程,介绍了一种直接驱动柱内爆靶的结构,给出了模拟中使用活动网格追踪和其他一些需要注意的问题。对OMEGA激光器直接驱动柱内爆实验物理模型进行了简化处理：使用理想气体状态方程,假设烧蚀层、标识层和内部填充材料为同一介质,只在密度上有差别;采用全电离和单温近似,在内爆过程中仅考虑热传导过程而忽略辐射和非局域电子热传导等过程的影响。模拟结果表明：LARED-S程序与LASNEX程序的计算结果基本上符合。     

Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学

利用Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆是实现惯性约束聚变可能的技术途径之一.聚龙一号装置已开展的动态黑腔实验初步表明形成了有效的动态黑腔辐射场,为驱动靶丸内爆研究奠定了重要基础.针对聚龙一号装置驱动条件,通过建立包含柱形动态黑腔与球形靶丸的柱球耦合物理模型,利用二维辐射磁流体力学程序,对Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学过程进行了数值模拟研究,获得了丝阵等离子体内爆、丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用、冲击波产生和黑腔辐射传输、辐射烧蚀和燃料压缩的完整过程.在此基础上,研究了靶丸赤道面和两极的辐射源均匀性及燃料压缩对称性.结果表明,由于在泡沫转换体中的辐射传输以及黑腔-靶能量耦合过程,靶丸赤道面与两极辐射波形存在一定的时间差和峰值差,造成燃料压缩不对称.若减小靶丸半径,可以提高燃料压缩的对称性,但靶丸半径很小时聚变产额也较低;靶丸半径较大时,由于靶丸赤道面和两极辐射场时间和温度峰值的较大差异,燃料压缩呈现更为明显的不对称性.     

基于Abel逆变换的辐射驱动内爆壳层密度分布研究

给出了一种利用Abel逆变换反演壳层压缩密度分布的方法. 使用微焦点X射线光源对直径1 mm、 密度已知的空心CH球壳进行了透射照相, 通过Abel逆变换反演得到了空心CH球壳的壳层密度, 反演密度与实际密度符合, 表明通过Abel逆变换反演壳层密度的有效性. 对16分幅相机记录的辐射驱动内爆靶球图像进行Abel逆变换, 得到了不同时刻壳层压缩密度分布.定性分析了背光空间分布、 针孔成像系统和壳层厚度变化对密度反演的影响.     

脉冲驱动磁化等离子体内爆升温点火的数值模拟

通过建立物理模型,用一维三温拉氏磁流体力学程序分析了由强电流（MA）脉冲驱动的金属套筒内爆压缩磁化等离子体的升温点火及能量增益过程。分析了脉冲驱动的金属套筒内爆、不同驱动源对金属套筒内爆升温的影响、Z箍缩过程中内嵌磁场和预加热温度对磁化等离子体升温的影响,以及点火需要的初态参数和点火后的能量输出。此外,对该过程中磁场增加粒子能量沉积、降低电子离子热传导能量损失的物理机制做了介绍和分析。磁流体数值模拟结果显示：当初始的内嵌磁场和燃料的预加热温度分别取5 T和250 eV时,即可获得超过4 keV的升温,初始参数包括内嵌磁场、预加热温度、燃料密度、套筒尺度、驱动脉冲幅值、加载时间等。在一定的条件下,点火成功,可产生kT量级的强磁场,并获得百kJ/mm量级的能量输出。     

Z箍缩内爆的MARED程序1维模拟分析

研制可靠的数值模拟工具对Z箍缩内爆产生X光辐射过程进行理论研究、实验分析以及负载设计至关重要。介绍了2维三温辐射磁流体力学程序（MARED）的物理方案,给出了MARED程序的1维检验结果,验证表明MARED程序适用不同装置条件、不同负载参数。结合丝阵Z箍缩实验的数值模拟和分析表明：相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X光辐射功率远大于铝丝阵产生的X光功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到X光功率越低;X光功率随着负载电流增加而增加。     

内爆芯部温度空间分布计算

利用空间分划的平衡辐射输运方程,结合Multi1D辐射流体程序计算了辐射驱动内爆芯部的X光发射空间分布,计算结果表明：高能X光的发射区域随X光子能量的增大而减小,低能X光的发射区域随X光子能量的减小而减小。考虑芯部中间区域和芯部边缘区域物质的不透明度,利用遗传算法计算了芯部的温度空间分布,并与模拟结果作了比较,二者的不确定度小于4%。     

基于聚龙一号的钨丝阵Z箍缩内爆辐射特性

介绍了基于聚龙一号装置的Z箍缩诊断和实验布局, 分析了丝数132~300、丝直径5~10 m、丝阵直径13~30 mm的单/双层钨丝阵Z箍缩内爆动力学过程和软X射线辐射特性规律。研究表明, 钨丝阵等离子体的停滞时间与零维薄壳模型计算的停滞时间一致, 内爆轨迹存在偏离, 丝阵等离子体内爆开始前以丝烧蚀为主, 内爆开始时间约为总内爆时间的67%;随着负载质量和半径的增大, 负载电流、内爆停滞时间和X射线辐射脉冲半高宽也相应增加, X射线辐射峰值功率减小。双层钨丝阵的内爆均匀性和一致性优于单层丝阵, 其辐射峰值功率明显高于单层钨丝阵, 但单/双层钨丝阵辐射产额基本相当, 能量转换效率约为15%。此外, 还初步讨论了单层钨丝阵驱动的低密度泡沫动态黑腔辐射功率波形特征及其与纯钨丝阵内爆辐射的差异。