基于二维激光靶耦合流体力学程序,研究设计惯性约束聚变间接驱动点火黑腔的方法.提出先调控X射线驱动温度再调控辐照均匀性的设计顺序.给出总激光功率(特别是主脉冲激光功率)的设计方法.模拟表明,填充气体密度的上限受到槽脉冲P²辐照不均匀性的限制.另外,增加腔长可以抑制靶丸烧蚀层物质的膨胀.最后给出点火黑腔二维设计结果.

Kershaw格式是在四边形结构网格上求解扩散方程的-种经典格式.基于对Kershaw格式中"流"的深入理解,将其拓展到包含非结构点的多块结构网格,分别推导退化非结构点和强化非结构点情况下的Kershaw格式,拓展的Kershaw格式满足流连续条件.三个数值算例的计算结果与精确解吻合得很好,表明将Kershaw格式拓展到多块结构网格的正确性和有效性.

针对ICF(Inertial Confinement Fusion)空腔靶大变形问题,发展了九点网格重构方法.拓展后的九点网格重构方法,保留了九点网格重构方法的基本特征(逼近椭圆型或抛物型方程,并具有一维球对称性),而且包含更多形式的九点网格重构方法,扩展了实际问题的使用需要.最后LARED-H程序采用ALE(ArbitraryLagrangian-Eulerian)方法,对空腔靶进行数值模拟,给出了合理的物理图像.

在一维平面非平衡多群辐射输运激光靶耦合总体程序RDMG角量子数平均原子模型的基础上,针对程序在计算如Au等高Z元素时,所需计算能级太多,计算量大的问题,合理的提出了只在部分能级考虑角量子数,其它能级考虑主量子数的部分角量子数平均原子模型.对比了新旧模型的数值模拟结果,结果显示,新模型得到了与原模型符合的很好的物理图像,同时计算时间由于计算能级数的减少而大大降低.

通过统一二维直角坐标与柱坐标下三温能量方程的差分格式,实现了LARED-H (laser radiation electron dynamic holehurm)程序既可以模拟正入射激光平面靶过程,也可模拟斜入射平面靶问题,从而扩展了LARED-H程序的功能.使用发展后的LARED-H程序进行了直角坐标系下线聚焦打靶耦合过程数值模拟,给出了不同入射角度下靶等离子体的膨胀过程.

讨论了激光靶耦合数值模拟中电子-辐射能量交换项的处理。为了克服它给三温方程求解带来的困难,在非平衡区(T_e>T_r)和接近平衡区(T_e~T_r)采用了不同的能量交换项形式。此外,由于接近平衡时的能量交换项用辐射平均自由程表示,避免了此时计算束缚电子占据概率不准确的问题。

对激光与高Z靶耦合主要物理过程,其中包括激光吸收,电子热传导,等离子体运动,非平衡原子物理,X光转换和辐射输运等现象的数值模拟作了全面的概括性描述。提出了总体微分方程组,建立了差分计算格式和求解方法,给出了程序数值计算的结果。

针对激光腔靶内流场的复杂性给出了一种欧氏与拉氏格式相结合、一维与二维计算相结合的方法,我们把它称为EL-1D2D方法。这种方法在跟踪界面活动网格方法的基础上,建立了设置欧拉线以及在欧拉线的一侧进行网格自动合并的计算技术,从而适应了腔体内比较复杂的流动。数值试验的结果表明,用这种方法计算腔靶流场的运动可以得到合理的物理图象。

本文对激光X光转换的主要物理过程和数值模拟程序概况作了概括性的介绍,给出了典型的物理图像和数值计算结果。在分析数值结果的基础上,对某些重要物理量作了规律性的研究,预估结果与实验测量值作了比较,它们在定性趋势和定量结果方面都符合得较为满意。

本文简要地描述了激光X光转换涉及的物理问题和重要物理过程,概括地介绍了数值模拟程序的规模。激光聚变有两种途经,用激光直接驱动氘氚靶丸,使其达到高温高密度,必须实现理想的球面内爆,这就要求激乐靶表面要有很高的均匀性。但是由于激光的相干性达到上述要求是很困难的。通常称这种方式为激光直接驱动。如果用激光产生的非相干的X光辐照靶丸表面,就可达到极好的均匀性,能够实现理想的球面内爆,这被称为激光间接驱动。激光X光转换是间接驱动惯性约束聚变的重要课题和关键技术。数值模拟和地下核爆的小囊试验指出,实现点火和中等增益的热核聚变要求激光器的输出能量5-10MJ,功率~100TW。这将是本世纪末和下一世纪的目标。但是现有高功率激光器产生的X光在近期有多方面的应用。如高功率X光激光的泵浦源,在实验室中辐射流体力学现象的研究,以及高温高密度靶围内物质性质的研究等等。因此研究激光产生X光的物理规律不仅有远景目标,而且有重要的现实意义。