雷射聚變點火島問題的理論與數值模擬研究

《雷射聚變點火島問題的理論與數值模擬研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由朱少平擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：雷射聚變點火島問題的理論與數值模擬研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：朱少平
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

在雷射聚變間接驅動點火問題中，雷射電漿相互作用決定了輻射溫度的上限，而流體力學界面不穩定性決定了輻射溫度的下限。一個上限約束、一個下限約束構成了在驅動雷射能量和功率平面上的點火島。因此，深入理解和把握點火島的基本物理規律成為雷射聚變點火中的關鍵。圍繞確定點火島的雷射電漿相互作用與流體力學界面不穩定性這兩個重要問題，本項目將藉助高性能計算機和高性能套用軟體研製支撐框架，研製並利用滿足雷射與大尺度電漿相互作用、輻射流體力學界面不穩定性研究需要的數值模擬軟體，開展大規模數值模擬研究。分析物理現象、提煉物理規律，獲得創新性的研究成果，促進對雷射聚變點火島基本規律的認識，為雷射聚變點火靶的物理設計提供參考。同時與國家的套用需求緊密結合，希望能夠對科學發展和技術套用起到推動作用。

結題摘要

圍繞確定雷射聚變點火島的雷射電漿相互作用與流體力學界面不穩定性這兩個核心問題，本項目發展了滿足雷射與大尺度電漿相互作用、輻射流體界面不穩定性研究需要的數值模擬軟體，開展了理論和數值模擬研究，完成了研究計畫，獲得了重要的、創新性的研究結果，,促進了對雷射聚變點火物理基本規律的認識，並為雷射聚變點火靶物理設計提供了技術支持。 本項目發展了多介質輻射流體力學界面不穩定性模擬程式，具備在數萬CPU核上開展大規模計算的能力，為內爆過程流體力學不穩定性研究提供了技術支撐；完善了三維電漿相互作用流體力學程式，豐富了該程式的物理建模，具備在數千至上萬CPU核上進行大規模數值模擬的能力，為雷射大尺度離子體相互作用研究創造了初步條件；發展了雷射電漿動理學程式，實現了百億個粒子規模的數值模擬研究，促進對雷射電漿相互作用的物理規律和機理的認識。 本項目研究了不同情況下受激拉曼散射和受激布里淵散射的演化過程和閾值，相互耦合競爭和散射標度關係；研究了多束雷射電漿相互作用中的雷射束間能量轉移和受激拉曼散射增強效應等物理問題；研究了電漿狀態對受激拉曼散射和受激布里淵散射光譜結構的影響，並套用於相關實驗的分析。本項目的研究不僅獲得了對雷射電漿相互作用的規律性認識，還在構建雷射聚變點火靶設計有效性評估方法中發揮了積極作用。 本項目研究了可壓縮效應、狀體方程、密度梯度等對燒蝕瑞利－泰勒（RT）不穩定性的影響，並開展了神光系列雷射裝置輻射驅動燒蝕RT不穩定性實驗的模擬研究；研究了燒蝕RT不穩定性長spike形成機制、α粒子能量沉積對流體力學不穩定性的影響；指出了低階模面密度擾動是導致點火靶性能大幅下降的主因，並提出了新的點火裕量因子；實現了靶丸內爆兩個量級多模擾動的大規模數值模擬，發現內爆減速階段強非線性流動發展對點火熱斑形成的破壞性影響。研究成果套用於點火靶物理設計，推進了以“零維設計、一維設計與最佳化、高維設計與評估”為主線的點火靶設計思路的建立，啟發了間接—直接混合驅動新型點火方式和點火靶新驅動源脈衝形狀設計思想的提出。 四年來，共完成文章50篇（其中SCI文章40餘篇），成功研製數值模擬程式5個；組織會議20餘次，培養博士生4名，碩士生4名，完成了預定研究內容、達到了預期研究目標。