球幾何下減速階段燒蝕瑞利-泰勒不穩定性研究

《球幾何下減速階段燒蝕瑞利-泰勒不穩定性研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由范征鋒擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：球幾何下減速階段燒蝕瑞利-泰勒不穩定性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：范征鋒
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

在慣性約束聚變中，內爆靶殼層減速階段，殼層低溫主燃料與高溫熱斑分界面處的瑞利-泰勒不穩定性是影響點火的關鍵因素。目前國外已經開始對其進行研究。本項目擬採用直接數值模擬和流動穩定性理論相結合的方法，研究點火尺度下，球形靶內爆減速階段，靶殼層與高溫點火熱斑分界面處的RT不穩定性。研究其線性增長規律和弱非線性模耦合規律；並且研究分界面處燒蝕速度、電子熱傳導、密度梯度對線性增長率以及弱非線性模耦合規律的影響。

結題摘要

在慣性約束聚變（ICF）中，流體力學不穩定性是關鍵不利之一。近三年來，在美國國家點火裝置（NIF）上的點火攻關（NIC）實驗中，流體力學不穩定性的增長遠遠超過理論預計，成為影響點火成功的一大障礙。這其中的主要不穩定性機制是瑞利-泰勒不穩定性（RTI）；同時在天體物理等領域中，RTI也起扮演重要作用。因此相關研究具有重要意義。本項目旨在通過直接數值模擬與流動穩定性理論相結合的方法，研究球幾何下減速階段燒蝕RTI的線性和弱非線性增長規律。本項目在減速階段燒蝕RTI的數值模擬能力建設、物理規律研究等方面取得重要進展。首先，我們完善了ICF靶丸內爆輻射流體界面不穩定性模擬能力。擴充了LARED-S模擬程式的物理建模，尤其是熱核反應及核反應產物α粒子的輸運計算；改善了數學計算方法，提高了ICF內爆RTI問題的模擬能力；通過數千、上萬核的並行計算，實現了多尺度減速階段RTI模擬。在物理研究方面，確定了ICF點火靶丸內爆減速階段關鍵參數，研究了該階段燒蝕RTI的增長規律。需要指出的是：α粒子的自加熱效應對熱斑溫度提升具有重要作用；同時α粒子自加熱增大燃料/熱斑邊界處的燒蝕速率，顯著抑制減速階段燒蝕RTI的增長。研究發現預熱燒蝕條件下非線性作用對各種模的擾動均具有致穩作用。研究發現真實氣體效應對燒蝕RTI有重要影響。在對減速階段燒蝕RTI不穩定性大量模擬的基礎上，結合熱斑二維動力學，考慮了熱斑壓縮性能下降和氣泡增長導致殼層破裂兩個重要物理因素，初步給出了二維點火條件判據。需要指出地是，在賀賢土院士的指導下我們提出了一種通過雙燒蝕增壓實現快速聚變點火的新型概念，並通過間接-直接混合驅動實現了概念設計。對於典型的ICF靶，內爆速度可提高到440公里/秒（比NIF點火設計高20%），收縮比可將為25（一般在35左右）；通過抑制燃料與點火熱斑界面處的多次衝擊波反彈，顯著降低了減速階段RTI增長。本項目的研究促進了ICF靶丸內爆程式的發展，增強了對減速階段燒蝕RTI的深入認識，雙燒蝕增壓實現快速聚變點火的新概念有可能成為一個新的ICF研究方向。