球几何下减速阶段烧蚀瑞利-泰勒不稳定性研究

在惯性约束聚变中，内爆靶壳层减速阶段，壳层低温主燃料与高温热斑分界面处的瑞利-泰勒不稳定性是影响点火的关键因素。目前国外已经开始对其进行研究。本项目拟采用直接数值模拟和流动稳定性理论相结合的方法，研究点火尺度下，球形靶内爆减速阶段，靶壳层与高温点火热斑分界面处的RT不稳定性。研究其线性增长规律和弱非线性模耦合规律；并且研究分界面处烧蚀速度、电子热传导、密度梯度对线性增长率以及弱非线性模耦合规律的影响。

在惯性约束聚变（ICF）中，流体力学不稳定性是关键不利之一。近三年来，在美国国家点火装置（NIF）上的点火攻关（NIC）实验中，流体力学不稳定性的增长远远超过理论预计，成为影响点火成功的一大障碍。这其中的主要不稳定性机制是瑞利-泰勒不稳定性（RTI）；同时在天体物理等领域中，RTI也起扮演重要作用。因此相关研究具有重要意义。本项目旨在通过直接数值模拟与流动稳定性理论相结合的方法，研究球几何下减速阶段烧蚀RTI的线性和弱非线性增长规律。本项目在减速阶段烧蚀RTI的数值模拟能力建设、物理规律研究等方面取得重要进展。首先，我们完善了ICF靶丸内爆辐射流体界面不稳定性模拟能力。扩充了LARED-S模拟程序的物理建模，尤其是热核反应及核反应产物α粒子的输运计算；改善了数学计算方法，提高了ICF内爆RTI问题的模拟能力；通过数千、上万核的并行计算，实现了多尺度减速阶段RTI模拟。在物理研究方面，确定了ICF点火靶丸内爆减速阶段关键参数，研究了该阶段烧蚀RTI的增长规律。需要指出的是：α粒子的自加热效应对热斑温度提升具有重要作用；同时α粒子自加热增大燃料/热斑边界处的烧蚀速率，显著抑制减速阶段烧蚀RTI的增长。研究发现预热烧蚀条件下非线性作用对各种模的扰动均具有致稳作用。研究发现真实气体效应对烧蚀RTI有重要影响。在对减速阶段烧蚀RTI不稳定性大量模拟的基础上，结合热斑二维动力学，考虑了热斑压缩性能下降和气泡增长导致壳层破裂两个重要物理因素，初步给出了二维点火条件判据。需要指出地是，在贺贤土院士的指导下我们提出了一种通过双烧蚀增压实现快速聚变点火的新型概念，并通过间接-直接混合驱动实现了概念设计。对于典型的ICF靶，内爆速度可提高到440公里/秒（比NIF点火设计高20%），收缩比可将为25（一般在35左右）；通过抑制燃料与点火热斑界面处的多次冲击波反弹，显著降低了减速阶段RTI增长。本项目的研究促进了ICF靶丸内爆程序的发展，增强了对减速阶段烧蚀RTI的深入认识，双烧蚀增压实现快速聚变点火的新概念有可能成为一个新的ICF研究方向。