球对称位型中电子热输运的Fokker-Planck模拟

摘要

冲击点火是由Betti等人于2007年提出的一种由激光直接驱动的新型点火方案，是将靶丸的点火过程与压缩过程分开，先将靶丸压缩成高密低温状态，之后用一个高强度的短脉冲激光产生一较强的冲击波往靶丸中心运动，提高中心区域的温度与压强，降低点火阈值，实现点火。冲击点火方案内爆速度较低，流体力学稳定性较好，放松了对压缩对称性的要求。点火脉冲的强度和加载时刻是冲击点火的关键所在。在冲击点火中，临界密度面和烧蚀波前沿附近的温度密度梯度较大，需要考虑电子的非局域热输运，流体理论描述电子热输运会出现偏差，这时候需要借助Fokker-Planck(FP)方程对物理过程进行描述。在论文中，我们首先将现有的Fokker-Planck模拟从一维平板位型扩展到一维球对称、柱对称位型，使模拟更接近于真实的物理模型，考虑不同位型下的电子热传导，分析几何位型对非局域热输运的影响;在球对称位型下分析冲击点火中的非局域热输运对烧蚀过程和激波的影响。
　　利用FP和MULTI两种程序模拟对比不同位型下高温等离子体的稀疏过程，讨论电子非局域热输运对稀疏过程的温度影响，发现在温度梯度较大的区域经典热流模型不再适用，需要考虑限流效应，并且在MULTI中采用时变限流模型要优于恒定的限流模型;而在稀疏波波尾由于超热电子的影响，在FP模拟中可以观察到预热效应。在等离子体中超热电子具有很长的平均自由程和很高的流动性，它们在空间中扩散开来，这样会消耗高温区域分布函数的高能尾巴，同时加强低温区域的高能尾巴，这样会使相空间电子密度的梯度低于麦克斯韦分布时的值，限制电子扩散流。对比一维平板位型和球对称位型中的热流计算，发现在球对称位型下等离子体稀疏过程中，限流与预热效应都变弱。也就是在稀疏过程中，空间的几何效应会减小电子热输运的非局域性。
　　为了考虑电子的热输运对于点火过程的内爆增压影响，我们首先利用MULTI流体程序对冲击点火过程进行分析，对比加载冲击波和不加载冲击波两种情况下对中心密度和压强的影响，发现在保证总输入能量相等的情况下，加载冲击波中心密度和压强得到大幅提升，并发现点火脉冲产生的激波与聚心之后的反射激波在主燃料区的内表面附近发生碰撞，产生一个高密高压区域继续向中心传播，这种情况下的点火效果较好。利用流体程序分析点火脉冲加载时刻对聚变产额的影响，确定点火窗口。由于在冲击点火中烧蚀面的温度梯度比较大，导致需要借助限流模型对热流进行修正，模拟在不同时刻、不同空间位置改变限流因子对点火结果的影响。限流因子通过调节热流而影响烧蚀速度和烧蚀压，对于激波的传播过程也有影响。
　　利用FP程序模拟激光烧蚀过程在不同位型中的非局域热输运，先用FP和MULTI模拟对比一个温度密度均匀分布的靶丸的在一维平板位型下的烧蚀过程，当激光强度较大时，激光能量在临界密度面处沉积增多，冕区靠近临界密度面附近会有一部分热电子向内运动，这部分的电子非局域热输运会造成冕区的温度降低。而在等离子体内部烧蚀波面附近的热电子速度较快，将烧蚀面前端的物质进行预热，热波前沿的温度变缓。并且由于几何位形的影响，在球形结构中，等离子体在激光烧蚀中的电子非局域热输运更明显，而在实验中靶丸一般采用球形靶，所以电子非局域热输运引起的预热和限流效应在激光烧蚀中更重要。而后在冲击点火中选取冲击波加载的典型时刻，分析非局域热输运对激波传输过程中的影响，发现电子的非局域热输运更有利于激波的传播和维持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 惯性约束聚变及点火方式

1．2 冲击点火最新研究进展

1．3 激光烧蚀等离子体中电子热输运及模拟方法

1．4 冲击点火中电子非局域热输运的研究

1．5 论文的主要内容

第2章 Fokker-Planck模拟方法

2．1 Fokker-Planck方程计算基本过程

2．1．1 动理论方程中的碰撞模型

2．1．2 Fokker-Planck方程基本过程

2．1．3 Fokker-Planck方程处理

2．2 一维柱对称和球对称的Fokker-Planck方程

2．2．1 将Fokker-Planck方程扩展到一维不同位型

2．2．2 程序的验证

2．3 不同位型中的时变限流模型

2．3．1 等离子体在一维平板位型中的稀疏演化

2．3．2 等离子体在一维球形结构和柱形结构中的稀疏演化

2．4 自由稀疏等离子体中的电子非局域热传导

第3章 冲击点火中电子非局域热输运

3．1 冲击点火的物理过程

3．1．1 冲击点火简介

3．1．2 模拟冲击点火

3．1．2 冲击点火中的激波相互作用

3．2 冲击点火中点火激波对内爆过程的影响

3．2．1 冲击波的点火窗口

3．2．2 改变限流因子对模拟得到的中子产额的影响

3．3 激光烧蚀等离子体时的非局域电子热输运

3．3．1 一维平板位型下的非局域热输运

3．3．2 一维球对称位型下的非局域热输运

3．3 冲击点火过程中的非局域热输运

第4章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果