1 北京应用物理与计算数学研究所，北京 100094
2 北京大学 应用物理与技术研究中心 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室工学院，北京 100871
3 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
4 中国工程物理研究院 上海激光等离子体研究所，上海 201800
5 中国矿业大学（北京），北京 100083
6 中国海洋大学 数学科学学院，山东 青岛 266100
7 安徽大学 物理与材料科学学院，合肥 230039
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。
激光聚变 惯性约束聚变 流体力学不稳定性 高能量密度物理 非线性流动 辐射流体力学 内爆物理 laser fusion inertial confinement fusion hydrodynamic instability high-energy-density physics nonlinear flow radiation hydrodynamics implosion physics 强激光与粒子束
2021, 33(1): 012001
Author Affiliations
Abstract
Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 100088, China
The low-mode shell asymmetry and high-mode hot spot mixing appear to be the main reasons for the performance degradation of the National Ignition Facility (NIF) implosion experiments. The effects of the mode coupling between low-mode P2 radiation flux asymmetry and intermediate-mode L= 24 capsule roughness on the implosion performance of ignition capsule are investigated by two-dimensional radiation hydrodynamic simulations. It is shown that the amplitudes of new modes generated by the mode coupling are in good agreement with the second-order mode coupling equation during the acceleration phase. The later flow field not only shows large areal density P2 asymmetry in the main fuel, but also generates large-amplitude spikes and bubbles. In the deceleration phase, the increasing mode coupling generates more new modes, and the perturbation spectrum on the hot spot boundary is mainly from the strong mode interactions rather than the initial perturbation conditions. The combination of the low-mode and high-mode perturbations breaks up the capsule shell, resulting in a significant reduction of the hot spot temperature and implosion performance.
Mode coupling Mode coupling Low-mode drive asymmetry Low-mode drive asymmetry Intermediate-mode capsule roughness Intermediate-mode capsule roughness Ignition capsule implosion Ignition capsule implosion Matter and Radiation at Extremes
2017, 2(1): 9
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 100094, China
2 Graduate School, China Academy of Engineering Physics, Beijing 100088, China
3 Center for Applied Physics and Technology, Peking University, Beijing 100871, China
4 Collaborative Innovation Center of IFSA, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
5 China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China
X-ray drive asymmetry is one of the main seeds of low-mode implosion asymmetry that blocks further improvement of the nuclear performance of “high-foot” experiments on the National Ignition Facility [Miller et al., Nucl. Fusion 44, S228 (2004)]. More particularly, the P2 asymmetry of Au's M-band flux can also severely influence the implosion performance of ignition capsules [Li et al., Phys. Plasmas 23, 072705 (2016)]. Here we study the smoothing effect of mid- and/or high-Z dopants in ablator on Au's M-band flux asymmetries, by modeling and comparing the implosion processes of a Ge-doped ignition capsule and a Si-doped one driven by X-ray sources with P2 M-band flux asymmetry. As the results, (1) mid- or high-Z dopants absorb hard X-rays (M-band flux) and re-emit isotropically, which helps to smooth the asymmetric Mband flux arriving at the ablation front, therefore reducing the P2 asymmetries of the imploding shell and hot spot; (2) the smoothing effect of Ge-dopant is more remarkable than Si-dopant because its opacity in Au's M-band is higher than the latter's; and (3) placing the doped layer at a larger radius in ablator is more efficient. Applying this effect may not be a main measure to reduce the low-mode implosion asymmetry, but might be of significance in some critical situations such as inertial confinement fusion (ICF) experiments very near the performance cliffs of asymmetric X-ray drives.
Inertial confinement fusion Inertial confinement fusion Implosion Implosion Low-mode distortion Low-mode distortion M-band flux asymmetry M-band flux asymmetry High-Z dopant High-Z dopant Matter and Radiation at Extremes
2017, 2(2): 69
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
3 中国工程物理研究院, 四川 绵阳 621900
在神光Ⅱ装置上开展了辐射驱动RT不稳定性的一系列实验, 获得了不同初始扰动幅度、不同扰动波长、不同材料样品等条件下辐射烧蚀RT不稳定性增长的高时空分辨背光图像, 特别是在大初始扰动幅度样品实验中获得了扰动增长的清晰图像, 观察到了扰动增长从线性区到非线性区的过渡过程, 二次和三次谐波的产生和发展清楚可见。充实了数值模拟程序考核的实验数据库, 对间接驱动ICF点火靶设计和研究具有重要作用。
惯性约束聚变 激光间接驱动 内爆 RT不稳定性 辐射驱动 inertial confinement fusion laser indirect-driven implosion Rayleigh-Taylor instability radiation-driven 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032016
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
3 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
4 中国工程物理研究院, 四川 绵阳 621900
在激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)领域中, 获得具有极高空间分辨率(优于5 μm)的X射线辐射图像, 是研究烧蚀不稳定性、内爆流线等关键物理过程的数据基础。基于掠入射反射式成像原理的Kirkpatrick-Baez(KB)显微成像系统作为一种具有高空间分辨率和集光效率的X射线显微诊断设备, 目前已成为国际ICF装置的X射线关键诊断设备。在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置条件上开展了KB诊断技术及设备的研究, 在KB系统的光学设计、光学元件和物镜与系统装调技术等方面取得了许多重要进展, 研制了大视场KB、多色KB等高分辨率X射线显微成像系统。这些系统已应用于我国的ICF内爆芯部发光和流线测量、流体不稳定增长测量等实验中, 为关键物理量的测量提供了高空间分辨率的清晰图像。
Kirkpatrick-Baez显微镜 高空间分辨 等离子体诊断 惯性约束聚变 Kirkpatrick-Baez microscope high spatial resolution plasma diagnosis inertial-confinement-fusion 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032013
1 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
3 北京大学 应用物理与技术研究中心, 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室, 北京 100871
4 中国工程物理研究院, 四川 绵阳 621900
在神光Ⅱ激光装置上开展了一系列辐射烧蚀Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性实验。平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流, 且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响。 实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT 明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像。 通过提高空间分辨率, 实验获得了二次和三次谐波的增长数据, 模拟结果与实验结果相符合。 神光Ⅱ 激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算。
惯性约束聚变 流体力学不稳定性 瑞利-泰勒不稳定性 inertial confinement fusion hydrodynamic instabilities Rayleigh-Taylor instability 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032009
1 中国工程物理研究院 研究生部,北京 100088
2 北京应用物理与计算数学研究所 计算物理实验室,北京 100088
研究了密度梯度对瑞利-泰勒不稳定性的致稳作用,采用有限元算法求解钱得拉塞卡方程本征值问题,得到不同密度分布下理想不可压流体力学量的扰动线性增长率及扰动速度分布。扰动增长率结果与修正的Lindl公式的计算结果比较发现:扰动分布的峰值位于密度梯度标长的取值位置处,波长与密度标长可比拟时,扰动增长率显著偏离Lindl公式,而长波和短波极限情况下,数值解和Lindl公式符合较好。
密度梯度致稳 钱得拉塞卡方程 Lindl公式 有限元算法 扰动增长率 density gradient stabilization Chandrasekhar equation Lindl formula finite element approach perturbation growth rate
1 中国矿业大学 力学与建筑工程学院,北京 100083
2 北京应用物理与计算数学研究所 计算物理实验室,北京 100088
3 浙江大学 物理系,杭州 310028
4 北京大学 应用物理与技术研究中心,北京 100871
WENO有限差分格式有较高的分辨精度,适合复杂流场的计算,在国际上被广泛采用。本文利用WENO有限差分格式求解2维守恒型欧拉方程,实现了对无粘流体中Kelvin-Helmholtz不稳定性的数值模拟。速度剪切方向采用周期边界条件;扰动增长方向采用嵌边出流边界条件,一个不稳定波长分布64个网格。数值模拟给出的扰动幅值线性增长率与线性稳定性分析给出的结果很好符合,显示了该格式的有效性和精度。数值模拟给出了清晰的密度等值线,表明该方法还具有较好的界面变形捕捉能力。
Kelvin-Helmholtz不稳定性 高精度有限差分法 WENO格式 欧拉方程 Kelvin-Helmholtz instability high-order finite difference method WENO scheme Euler equation
Author Affiliations
Abstract
1 Shanghai Institute of Laser Plasma, Shanghai, P.R.China
2 Institute of Applied Phusics and Computational Mathematics, Beijing, P.R.China
The experiment of laser-driven Rayleigh-Taylor (RT) instability on Shenguang II (SG-II) facility has been presented. A Ni-like silver soft x-ray laser at 13.9nm has been used as a probe to take radiography of the modulation target RT instability first time. The modulation target is irradiated by a laser beam at 527nm of wavelength, 1500J of energy and 2.4ns of pulse width (FWHM), which is focused to intensity of 4×1014Wcm-2 on the target by a lens array. The evolvement of RT instability has been observed clearly. The results obtained by numerical simulation agree with that given by experiments.
Collection Of theses on high power laser and plasma physics
2007, 5(1): 10
