【摘要】：實(shí)現(xiàn)可控慣性約束聚變是解決人類能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境危機(jī)的重要途徑之一。Z箍縮動(dòng)態(tài)黑腔驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變過(guò)程中,輻射轉(zhuǎn)化效率非常高,獲得X射線能量成本較低,聚變能量增益較大,因此Z箍縮動(dòng)態(tài)黑腔是驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變中比較有競(jìng)爭(zhēng)力的方案之一。研究和探討Z箍縮動(dòng)態(tài)黑腔驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變過(guò)程中所存在的問題對(duì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)黑腔驅(qū)動(dòng)聚變具有重要的指導(dǎo)意義和科學(xué)價(jià)值。Z箍縮動(dòng)態(tài)黑腔驅(qū)動(dòng)聚變過(guò)程中,有許多問題尚待研究,比如動(dòng)態(tài)黑腔內(nèi)輻射轉(zhuǎn)化效率問題,聚變靶丸周圍輻射均勻性問題,以及所有間接驅(qū)動(dòng)聚變都必須考慮的流體不穩(wěn)定性問題。本文從絲陣內(nèi)爆過(guò)程中的零維模型出發(fā),在輻射流體力學(xué)框架下,結(jié)合等離子體殼撞擊泡沫柱的沖擊動(dòng)力學(xué)過(guò)程,對(duì)影響動(dòng)態(tài)黑腔內(nèi)輻射溫度的相關(guān)因素進(jìn)行了分析,對(duì)動(dòng)態(tài)黑腔內(nèi)靶丸表面輻射不均勻性的形成原因進(jìn)行了探討,對(duì)燒蝕層內(nèi)界面和外界面的流體不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。首先,介紹了本文所使用的輻射流體力學(xué)程序的理論模型以及狀態(tài)方程和輻射不透明參數(shù)的計(jì)算程序,并和國(guó)際知名輻射流體力學(xué)程序以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比對(duì),驗(yàn)證了輻射流體力學(xué)程序和參數(shù)的準(zhǔn)確性。對(duì)動(dòng)態(tài)黑腔內(nèi)輻射的產(chǎn)生過(guò)程以及輻射的傳播過(guò)程進(jìn)行了分析,認(rèn)為黑腔內(nèi)的X射線主要來(lái)源于沖擊壓縮過(guò)后高溫泡沫的熱輻射,所得到的輻射能譜近似于黑體譜;通過(guò)對(duì)不同能群下輻射傳播過(guò)程的研究,發(fā)現(xiàn)大部分輻射在泡沫中以輻射熱波的形式進(jìn)行傳播,少部分高能X射線以高速甚至亞光速穿透泡沫�；诘入x子體殼撞擊泡沫的沖擊動(dòng)力學(xué)過(guò)程,對(duì)動(dòng)態(tài)黑腔內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行了分析,分兩種情況分別建立了理論模型,研究了影響黑腔內(nèi)輻射溫度的主要因素,并使用輻射流體力學(xué)模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:泡沫柱使用比熱容較低的材料可以增加黑腔內(nèi)的輻射溫度;減少泡沫密度可以增加黑腔內(nèi)的輻射溫度,但同時(shí)減少了泡沫柱所獲得的內(nèi)能;另外在等離子體殼密度大于泡沫密度條件下,降低等離子體殼密度也可以增加黑腔內(nèi)的輻射溫度;在相同電流脈沖條件下,絲陣負(fù)載質(zhì)量應(yīng)當(dāng)稍大于零維最優(yōu)負(fù)載質(zhì)量,這樣黑腔內(nèi)的輻射溫度較高。其次,研究了動(dòng)態(tài)黑腔內(nèi)靶丸表面輻射不均勻性問題,并分析了主要原因。認(rèn)為柱形輻射熱波到達(dá)靶丸表面所存在的時(shí)間差會(huì)導(dǎo)致靶丸表面輻射不均勻性。通過(guò)輻射流體力學(xué)模擬對(duì)等離子體殼斜碰撞泡沫柱、球形等離子體殼碰撞泡沫柱以及帶有擾動(dòng)的等離子體殼撞擊泡沫柱對(duì)黑腔內(nèi)靶丸表面輻射不均勻性的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:等離子體殼斜碰撞泡沫會(huì)增加靶丸表面輻射不均勻性,導(dǎo)致靶丸不對(duì)稱內(nèi)爆;和靶丸弧形方向相同的球形等離子體殼碰撞泡沫時(shí),會(huì)改善靶丸表面的均勻性。等離子體殼上的擾動(dòng)不會(huì)影響黑腔內(nèi)的輻射均勻性,但會(huì)增加黑腔內(nèi)輻射漏失和降低黑腔內(nèi)輻射溫度,而且擾動(dòng)振幅越大,擾動(dòng)波長(zhǎng)越小,輻射漏失越嚴(yán)重。此外,對(duì)透過(guò)泡沫柱直接燒蝕靶丸的高能X射線也進(jìn)行了探討,在間接驅(qū)動(dòng)聚變的高溫條件下(250-300eV),這部分高能X射線可能是導(dǎo)致靶丸內(nèi)爆呈棒槌形的主要原因之一。第三,采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了燒蝕層外界面和內(nèi)界面擾動(dòng)的發(fā)展過(guò)程。研究結(jié)果表明:在燒蝕層外界面,增加燒蝕速度或者增加燒蝕等離子體外噴速度或者減少?zèng)_擊波波后聲速可以抑制燒蝕面處的燒蝕RM(Richtmyer-Meshkov)不穩(wěn)定性;在塑料燒蝕層中摻雜高Z元素可以抑制燒蝕RM不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)。增加燒蝕速度和燒蝕面特征長(zhǎng)度可以減少燒蝕RT(Rayleigh Taylor)不穩(wěn)定性;摻雜高Z元素后的塑料靶中擾動(dòng)隨時(shí)間增長(zhǎng)較慢的主要原因是燒蝕層加速度減小,使用本文所提出的RT線性增長(zhǎng)率公式剔除加速度的影響后,發(fā)現(xiàn)純塑料靶中的擾動(dòng)增長(zhǎng)隨燒蝕層運(yùn)動(dòng)路程反而較慢。在燒蝕層內(nèi)界面,經(jīng)典RM不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)和燒蝕層的密度以及燒蝕壓相關(guān);相比于CH塑料,燒蝕層使用Be時(shí)內(nèi)界面擾動(dòng)增長(zhǎng)較慢;輻射脈沖對(duì)界面擾動(dòng)的發(fā)展具有非常大的影響,甚至能改變擾動(dòng)的增長(zhǎng)方向。輻射持續(xù)燒蝕時(shí),燒蝕層內(nèi)界面擾動(dòng)并不會(huì)明顯增大,只有在燒蝕減弱后,燒蝕面所產(chǎn)生的稀疏波減速界面,觸發(fā)界面RT不穩(wěn)定性后,界面擾動(dòng)才會(huì)劇烈增長(zhǎng)。另外,研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)制輻射脈沖的形狀,一定程度上可以抑制燒蝕層內(nèi)界面擾動(dòng)的增長(zhǎng)。
【圖文】：

石油、天然氣和煤炭等化石燃料只能維持人代社會(huì)需要環(huán)境友好的能源產(chǎn)品，，核能是一種綠色、能源。在確保安全穩(wěn)定的前提下，核能具有非常大的。核能可以通過(guò)重核裂變或者輕核聚變得到。重核裂界各地得到了廣泛利用，但核裂變能的利用也存在許會(huì)產(chǎn)生大量難以處理的核廢物；二是日本福島核事故關(guān)注；三是地球上核裂變的原料隨著核裂變反應(yīng)堆的也在慢慢減少。如圖 1.1 所示，地球上裂變?cè)镶櫟膬?chǔ)求幾十年，即使通過(guò)先進(jìn)的裂變?cè)鲋臣夹g(shù)也只能勉強(qiáng)一種更加清潔、安全的能源，聚變相對(duì)裂變具有更大用的燃料氘在海水含量非常豐富，用來(lái)產(chǎn)生氚的鋰同能滿足人類幾百年的能源需求，如果再算上海水中6L百萬(wàn)年。因此在地球上實(shí)現(xiàn)受控核聚變, 將能夠?yàn)槿祟愒�，從而解決人類社會(huì)發(fā)展過(guò)程中所面臨的環(huán)境污染
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TL61

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本文編號(hào)：2618993