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
1 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
2 中国工程物理研究院 研究生院, 北京 100088
3 北京大学 应用物理与技术研究中心, 北京 100871
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。
激光聚变 间接驱动 内爆动力学 靶丸设计 定标律 laser fusion indirect-driven implosion dynamics capsule design scaling law 强激光与粒子束
2019, 31(6): 062001
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 100088, China
2 Center for Applied Physics and Technology, Peking University, Beijing 100871, China
The non-equilibrium between ions and electrons in the hot spot can relax the ignition conditions in inertial confinement fusion [Fan et al., Phys. Plasmas 23, 010703 (2016)], and obvious ion-electron non-equilibrium could be observed by our simulations of high-foot implosions when the ion-electron relaxation is enlarged by a factor of 2. On the other hand, in many shots of high-foot implosions on the National Ignition Facility, the observed X-ray enhancement factors due to ablator mixing into the hot spot are less than unity assuming electrons and ions have the same temperature [Meezan et al., Phys. Plasmas 22, 062703 (2015)], which is not self-consistent because it can lead to negative ablator mixing into the hot spot. Actually, this non-consistency implies ion-electron non-equilibrium within the hot spot. From our study, we can infer that ionelectron non-equilibrium exists in high-foot implosions and the ion temperature could be ~9% larger than the equilibrium temperature in some NIF shots.
Ion-electron non-equilibrium Ion-electron non-equilibrium Hot-spot ignition conditions relaxation Hot-spot ignition conditions relaxation High-foot experiments High-foot experiments Matter and Radiation at Extremes
2017, 2(1): 3
1 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
2 北京大学 应用物理与技术研究中心, 北京 100871
提出通过离子-电子非平衡物理模型来降低惯性约束聚变中心热斑点火的聚变点火条件.在该物理模型中,强调离子比电子具备更高的温度,从而使得热斑的热核聚变反应增强,轫致辐射和电子热传导造成的能量漏失相对降低.通过对中心热斑的自加热分析和热斑燃烧动力学分析,发现相对于平衡聚变点火模型,非平衡模型可以显著扩大聚变点火区在热斑面密度和热斑温度空间的范围.同时采用LARED-S程序的数值模拟,研究了通过尖峰脉冲波形、二次冲击物理机制强化中心热斑聚变点火的非平衡性.
离子-电子非平衡 点火条件降低 二次冲击 尖峰脉冲波形 惯性约束聚变 ion-electron non-equilibrium ignition condition relaxation secondary shock wedged-peak pulse inertial confinement fusion LARED-S LARED-S 强激光与粒子束
2015, 27(8): 082001
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
