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辐射热波特性及其在间接驱动激光聚变中应用的模拟研究

作　者: 张璐
导　师: 蒲以康; 丁永坤
学　校: 清华大学
专　业: 核科学与技术
关键词: 激光聚变辐射热波靶丸耦合效率辐射烧蚀冲击波
分类号: TL63
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

间接驱动激光聚变中，激光转换的X射线与黑腔腔壁作用，会发射X射线，形成一个均匀的辐射场。再发射的X射线一方面被黑腔腔壁吸收损耗，一方面与靶丸作用驱动靶内爆。这两个作用过程均可用辐射热波来描述。通过辐射热波传播过程的研究，可寻求提高靶丸耦合效率的可能途径，降低点火需要的激光能量，对间接驱动激光聚变具有重要意义。本文研究了辐射热波在高Z腔壁材料、低Z靶材料中的传播及辐射热波驱动的多冲击波与靶丸作用的过程，主要工作和研究成果如下：1．采用量纲分析法求得Au中亚声速热波的自相似解，得到烧蚀质量、烧蚀压与时间的定标公式，与文献及模拟结果均符合较好，且具有普适性。2．辐射热波在黑腔腔壁中传播时，稀疏波引起的边界扩散运动损耗了相当大部分的X射线能量。针对这一问题，我们令腔壁初始径向密度符合ρ0分布，来抑制边界扩散运动。利用Hyades模拟计算发现，这种设计在2(5r0) e=V k的r恒的温源下能够降低腔壁能量损失30%，从而增加腔壁再发射率，提高靶丸耦合效率。低密度泡沫腔壁和密度梯度分布的腔壁都能够有效抑制稀疏波带来的扩散，减少腔壁等离子体向中心的膨胀，使激光顺利到达腔壁附近。为此我们用Multi模拟了激光与泡沫腔壁的作用，结果表明泡沫腔壁和密度梯度分布的腔壁都抑制了激光吸收面向柱腔中心的移动，可成为提高对称性控制的另一种途径。3．本文工作对比分析了辐射热波对Be、CH、BC三种低Z材料的一维平面烧蚀特性，以及球一维时三种材料作为烧蚀层的内爆聚变情况。兼顾能量耦合效率、预热以及对称性等因素，Be都具有优势，而BC由于反照率过高带来的负面效应被排除。我们还模拟计算了含M带的非平衡谱对低Z物质一维平面烧蚀特性的影响，高能份额会使得物质的烧蚀压、烧蚀速率增加，反照率降低，但热波波前温度升高，引起预热，会对等熵压缩不利。X射线烧蚀泡沫-固体靶时界面失配会使得泡沫与固体靶中冲击波压力增加，我们分析了泡沫增压的发生机制，得到强冲击波近似下增压倍数的定标公式，指出了增压现象的脉冲特点。4．整形辐射源烧蚀靶表面会驱动多次冲击波向靶丸内部传播，靶壳层在冲击波作用下运动。本文讨论了壳层加速、减速、阻滞阶段的运动特点，研究了冲击波调谐精度对内爆的影响，结果表明：50ps的脉冲时间精度足以满足点火要求；冲击波的对齐位置很重要，偏向DT冰内对内爆影响大于偏向DT气体。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-11
第1章引言  11-20
  1.1 激光驱动惯性约束聚变  11
  1.2 激光聚变发展历程  11-15
  1.3 间接驱动聚变中辐射热波的研究意义  15-17
  1.4 辐射热波研究现状  17-18
  1.5 论文工作主要内容  18-20
第2章辐射热波理论基础  20-30
  2.1 辐射输运理论  20-24
    2.1.1 辐射输运  21-23
    2.1.2 电子热传导  23
    2.1.3 动力学方程  23-24
  2.2 能量输运过程中的波  24-27
    2.2.1 热波  24-26
    2.2.2 冲击波  26-27
    2.2.3 稀疏波  27
  2.3 辐射热波与间接驱动激光聚变  27-29
    2.3.1 靶丸耦合效率  27-28
    2.3.2 内爆速度和流体力学效率  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章辐射热波与金泡沫腔壁作用  30-54
  3.1 概述  30
  3.2 量纲分析法求解亚声速热波自相似解  30-36
    3.2.1 非线性辐射热传导方程  31
    3.2.2 量纲分析  31-33
    3.2.3 无量纲辐射流体方程  33-34
    3.2.4 自相似解  34-36
  3.3 黑腔腔壁密度与能量损耗研究  36-44
    3.3.1 高 Z 低密度泡沫降低能量损耗分析  37-40
    3.3.2 径向密度梯度分布与能量损耗  40-44
  3.4 腔壁密度对等离子体扩散的影响  44-52
    3.4.1 方波作用下腔壁等离子体的扩散  46-48
    3.4.2 整形脉冲作用下腔壁等离子体的扩散  48-51
    3.4.3 径向密度梯度分布时腔壁等离子体的扩散  51-52
  3.5 本章小结  52-54
第4章辐射热波与靶烧蚀材料作用  54-76
  4.1 概述  54-55
  4.2 黑体辐射谱下的烧蚀特性  55-65
    4.2.1 一维平面靶烧蚀特性  55-58
    4.2.2 球形靶的内爆特性  58-65
  4.3 非平衡谱的影响分析  65-68
  4.4 泡沫增压现象研究  68-75
    4.4.1 泡沫增压产生条件  68-69
    4.4.2 波的作用过程  69-73
    4.4.3 模拟结果  73-75
  4.5 本章小结  75-76
第5章多冲击波与靶内爆压缩  76-96
  5.1 概述  76-78
  5.2 靶壳层运动理论研究现状  78-85
    5.2.1 多冲击波设计  78-80
    5.2.2 壳层加速阶段  80-81
    5.2.3 壳层减速阶段  81-84
    5.2.4 RT 不稳定性  84-85
  5.3 模拟研究多冲击波压缩靶内爆过程  85-92
    5.3.1 多冲击波压缩模拟  85-89
    5.3.2 多冲击波调谐精度对内爆影响研究  89-92
  5.4 多冲击波实验诊断技术简介  92-94
  5.5 本章小结  94-96
第6章结论与展望  96-99
  6.1 论文主要成果  96-97
  6.2 本文创新点  97-98
  6.3 展望  98-99
参考文献  99-106
致谢  106-108
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  108

辐射热波特性及其在间接驱动激光聚变中应用的模拟研究

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