【摘要】：實現(xiàn)可控慣性約束聚變是解決人類能源危機和生態(tài)環(huán)境危機的重要途徑之一。Z箍縮動態(tài)黑腔驅(qū)動慣性約束聚變過程中,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箍縮動態(tài)黑腔是驅(qū)動慣性約束聚變中比較有競爭力的方案之一。研究和探討Z箍縮動態(tài)黑腔驅(qū)動慣性約束聚變過程中所存在的問題對實現(xiàn)動態(tài)黑腔驅(qū)動聚變具有重要的指導意義和科學價值。Z箍縮動態(tài)黑腔驅(qū)動聚變過程中,有許多問題尚待研究,比如動態(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)爆過程中的零維模型出發(fā),在輻射流體力學框架下,結(jié)合等離子體殼撞擊泡沫柱的沖擊動力學過程,對影響動態(tài)黑腔內(nèi)輻射溫度的相關因素進行了分析,對動態(tài)黑腔內(nèi)靶丸表面輻射不均勻性的形成原因進行了探討,對燒蝕層內(nèi)界面和外界面的流體不穩(wěn)定性進行了研究。首先,介紹了本文所使用的輻射流體力學程序的理論模型以及狀態(tài)方程和輻射不透明參數(shù)的計算程序,并和國際知名輻射流體力學程序以及相關實驗進行了比對,驗證了輻射流體力學程序和參數(shù)的準確性。對動態(tài)黑腔內(nèi)輻射的產(chǎn)生過程以及輻射的傳播過程進行了分析,認為黑腔內(nèi)的X射線主要來源于沖擊壓縮過后高溫泡沫的熱輻射,所得到的輻射能譜近似于黑體譜;通過對不同能群下輻射傳播過程的研究,發(fā)現(xiàn)大部分輻射在泡沫中以輻射熱波的形式進行傳播,少部分高能X射線以高速甚至亞光速穿透泡沫。基于等離子體殼撞擊泡沫的沖擊動力學過程,對動態(tài)黑腔內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化過程進行了分析,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模擬進行了驗證。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,絲陣負載質(zhì)量應當稍大于零維最優(yōu)負載質(zhì)量,這樣黑腔內(nèi)的輻射溫度較高。其次,研究了動態(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。認為柱形輻射熱波到達靶丸表面所存在的時間差會導致靶丸表面輻射不均勻性。通過輻射流體力學模擬對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的等離子體殼撞擊泡沫柱對黑腔內(nèi)靶丸表面輻射不均勻性的影響進行了研究。研究結(jié)果表明:等離子體殼斜碰撞泡沫會增加靶丸表面輻射不均勻性,導致靶丸不對稱內(nèi)爆;和靶丸弧形方向相同的球形等離子體殼碰撞泡沫時,會改善靶丸表面的均勻性。等離子體殼上的擾動不會影響黑腔內(nèi)的輻射均勻性,但會增加黑腔內(nèi)輻射漏失和降低黑腔內(nèi)輻射溫度,而且擾動振幅越大,擾動波長越小,輻射漏失越嚴重。此外,對透過泡沫柱直接燒蝕靶丸的高能X射線也進行了探討,在間接驅(qū)動聚變的高溫條件下(250-300eV),這部分高能X射線可能是導致靶丸內(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)界面擾動的發(fā)展過程。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沖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。增加燒蝕速度和燒蝕面特征長度可以減少燒蝕RT(Rayleigh Taylor)不穩(wěn)定性;摻雜高Z元素后的塑料靶中擾動隨時間增長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線性增長率公式剔除加速度的影響后,發(fā)現(xiàn)純塑料靶中的擾動增長隨燒蝕層運動路程反而較慢。在燒蝕層內(nèi)界面,經(jīng)典RM不穩(wěn)定性的增長和燒蝕層的密度以及燒蝕壓相關;相比于CH塑料,燒蝕層使用Be時內(nèi)界面擾動增長較慢;輻射脈沖對界面擾動的發(fā)展具有非常大的影響,甚至能改變擾動的增長方向。輻射持續(xù)燒蝕時,燒蝕層內(nèi)界面擾動并不會明顯增大,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,界面擾動才會劇烈增長。另外,研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)制輻射脈沖的形狀,一定程度上可以抑制燒蝕層內(nèi)界面擾動的增長。
【圖文】：

石油、天然氣和煤炭等化石燃料只能維持人代社會需要環(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產(chǎn)生大量難以處理的核廢物；二是日本福島核事故關注；三是地球上核裂變的原料隨著核裂變反應堆的也在慢慢減少。如圖 1.1 所示，地球上裂變原料鈾的儲求幾十年，即使通過先進的裂變增殖技術(shù)也只能勉強一種更加清潔、安全的能源，聚變相對裂變具有更大用的燃料氘在海水含量非常豐富，用來產(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百萬年。因此在地球上實現(xiàn)受控核聚變, 將能夠為人類源，從而解決人類社會發(fā)展過程中所面臨的環(huán)境污染
【學位授予單位】：國防科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TL61

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本文編號：2618993