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
北京应用物理与计算数学研究所， 北京 100094
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 多群输运建模 LARED集成程序 多介质ALE方法 ignition implosion capsule radiation multi-group transfer approximation LARED-Integration code multi-material ALE method 强激光与粒子束
2015, 27(9): 092001
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
激光等离子体相互作用(LPI)和瑞利-泰勒流体不稳定性(RTI)是影响间接驱动惯性约束聚变成功的两个主要不确定性因素。点火黑腔内环激光通道在靠近黑腔壁的区域是内环激光SRS背反产生与发展的主要区域。内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡条件。据此提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。结合描述靶丸内爆飞行阶段物理以及内爆性能的两个定标关系, 提出了描述稳定性相对性能的指标。该指标可以指导点火靶设计, 为LPI和RTI提供需要的裕量空间, 是点火阈值因子(ITF)的补充。
惯性约束聚变 激光等离子体相互作用 瑞利-泰勒不稳定性 等离子体定标关系 点火靶设计 inertial confinement fusion laser and plasma interaction Rayleigh-Taylor instability plasma scaling ignition target design 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032012
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
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。
体点火 壳层碰撞 流体力学不稳定性 辐射冲击波 volume ignition shell collision hydrodynamic instabilities radiative shock 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032006
