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Z箍缩动态黑腔内辐射温度与均匀性以及烧蚀层界面不稳定性研究

徐彬彬  
【摘要】:实现可控惯性约束聚变是解决人类能源危机和生态环境危机的重要途径之一。Z箍缩动态黑腔驱动惯性约束聚变过程中,辐射转化效率非常高,获得X射线能量成本较低,聚变能量增益较大,因此Z箍缩动态黑腔是驱动惯性约束聚变中比较有竞争力的方案之一。研究和探讨Z箍缩动态黑腔驱动惯性约束聚变过程中所存在的问题对实现动态黑腔驱动聚变具有重要的指导意义和科学价值。Z箍缩动态黑腔驱动聚变过程中,有许多问题尚待研究,比如动态黑腔内辐射转化效率问题,聚变靶丸周围辐射均匀性问题,以及所有间接驱动聚变都必须考虑的流体不稳定性问题。本文从丝阵内爆过程中的零维模型出发,在辐射流体力学框架下,结合等离子体壳撞击泡沫柱的冲击动力学过程,对影响动态黑腔内辐射温度的相关因素进行了分析,对动态黑腔内靶丸表面辐射不均匀性的形成原因进行了探讨,对烧蚀层内界面和外界面的流体不稳定性进行了研究。首先,介绍了本文所使用的辐射流体力学程序的理论模型以及状态方程和辐射不透明参数的计算程序,并和国际知名辐射流体力学程序以及相关实验进行了比对,验证了辐射流体力学程序和参数的准确性。对动态黑腔内辐射的产生过程以及辐射的传播过程进行了分析,认为黑腔内的X射线主要来源于冲击压缩过后高温泡沫的热辐射,所得到的辐射能谱近似于黑体谱;通过对不同能群下辐射传播过程的研究,发现大部分辐射在泡沫中以辐射热波的形式进行传播,少部分高能X射线以高速甚至亚光速穿透泡沫。基于等离子体壳撞击泡沫的冲击动力学过程,对动态黑腔内的能量转化过程进行了分析,分两种情况分别建立了理论模型,研究了影响黑腔内辐射温度的主要因素,并使用辐射流体力学模拟进行了验证。研究结果表明:泡沫柱使用比热容较低的材料可以增加黑腔内的辐射温度;减少泡沫密度可以增加黑腔内的辐射温度,但同时减少了泡沫柱所获得的内能;另外在等离子体壳密度大于泡沫密度条件下,降低等离子体壳密度也可以增加黑腔内的辐射温度;在相同电流脉冲条件下,丝阵负载质量应当稍大于零维最优负载质量,这样黑腔内的辐射温度较高。其次,研究了动态黑腔内靶丸表面辐射不均匀性问题,并分析了主要原因。认为柱形辐射热波到达靶丸表面所存在的时间差会导致靶丸表面辐射不均匀性。通过辐射流体力学模拟对等离子体壳斜碰撞泡沫柱、球形等离子体壳碰撞泡沫柱以及带有扰动的等离子体壳撞击泡沫柱对黑腔内靶丸表面辐射不均匀性的影响进行了研究。研究结果表明:等离子体壳斜碰撞泡沫会增加靶丸表面辐射不均匀性,导致靶丸不对称内爆;和靶丸弧形方向相同的球形等离子体壳碰撞泡沫时,会改善靶丸表面的均匀性。等离子体壳上的扰动不会影响黑腔内的辐射均匀性,但会增加黑腔内辐射漏失和降低黑腔内辐射温度,而且扰动振幅越大,扰动波长越小,辐射漏失越严重。此外,对透过泡沫柱直接烧蚀靶丸的高能X射线也进行了探讨,在间接驱动聚变的高温条件下(250-300eV),这部分高能X射线可能是导致靶丸内爆呈棒槌形的主要原因之一。第三,采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了烧蚀层外界面和内界面扰动的发展过程。研究结果表明:在烧蚀层外界面,增加烧蚀速度或者增加烧蚀等离子体外喷速度或者减少冲击波波后声速可以抑制烧蚀面处的烧蚀RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定性;在塑料烧蚀层中掺杂高Z元素可以抑制烧蚀RM不稳定性的增长。增加烧蚀速度和烧蚀面特征长度可以减少烧蚀RT(Rayleigh–Taylor)不稳定性;掺杂高Z元素后的塑料靶中扰动随时间增长较慢的主要原因是烧蚀层加速度减小,使用本文所提出的RT线性增长率公式剔除加速度的影响后,发现纯塑料靶中的扰动增长随烧蚀层运动路程反而较慢。在烧蚀层内界面,经典RM不稳定性的增长和烧蚀层的密度以及烧蚀压相关;相比于CH塑料,烧蚀层使用Be时内界面扰动增长较慢;辐射脉冲对界面扰动的发展具有非常大的影响,甚至能改变扰动的增长方向。辐射持续烧蚀时,烧蚀层内界面扰动并不会明显增大,只有在烧蚀减弱后,烧蚀面所产生的稀疏波减速界面,触发界面RT不稳定性后,界面扰动才会剧烈增长。另外,研究发现通过调制辐射脉冲的形状,一定程度上可以抑制烧蚀层内界面扰动的增长。


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