激光聚变"点火岛"问题的理论与数值模拟研究

在激光聚变间接驱动点火问题中，激光等离子体相互作用决定了辐射温度的上限，而流体力学界面不稳定性决定了辐射温度的下限。一个上限约束、一个下限约束构成了在驱动激光能量和功率平面上的点火岛。因此，深入理解和把握"点火岛"的基本物理规律成为激光聚变点火中的关键。围绕确定"点火岛"的激光等离子体相互作用与流体力学界面不稳定性这两个重要问题，本项目将借助高性能计算机和高性能应用软件研制支撑框架，研制并利用满足激光与大尺度等离子体相互作用、辐射流体力学界面不稳定性研究需要的数值模拟软件，开展大规模数值模拟研究。分析物理现象、提炼物理规律，获得创新性的研究成果，促进对激光聚变"点火岛"基本规律的认识，为激光聚变点火靶的物理设计提供参考。同时与国家的应用需求紧密结合，希望能够对科学发展和技术应用起到推动作用。

围绕确定激光聚变"点火岛"的激光等离子体相互作用与流体力学界面不稳定性这两个核心问题，本项目发展了满足激光与大尺度等离子体相互作用、辐射流体界面不稳定性研究需要的数值模拟软件，开展了理论和数值模拟研究，完成了研究计划，获得了重要的、创新性的研究结果，,促进了对激光聚变点火物理基本规律的认识，并为激光聚变点火靶物理设计提供了技术支持。. 本项目发展了多介质辐射流体力学界面不稳定性模拟程序，具备在数万CPU核上开展大规模计算的能力，为内爆过程流体力学不稳定性研究提供了技术支撑；完善了三维等离子体相互作用流体力学程序，丰富了该程序的物理建模，具备在数千至上万CPU核上进行大规模数值模拟的能力，为激光大尺度离子体相互作用研究创造了初步条件；发展了激光等离子体动理学程序，实现了百亿个粒子规模的数值模拟研究，促进对激光等离子体相互作用的物理规律和机理的认识。. 本项目研究了不同情况下受激拉曼散射和受激布里渊散射的演化过程和阈值，相互耦合竞争和散射标度关系；研究了多束激光等离子体相互作用中的激光束间能量转移和受激拉曼散射增强效应等物理问题；研究了等离子体状态对受激拉曼散射和受激布里渊散射光谱结构的影响，并应用于相关实验的分析。本项目的研究不仅获得了对激光等离子体相互作用的规律性认识，还在构建激光聚变点火靶设计有效性评估方法中发挥了积极作用。. 本项目研究了可压缩效应、状体方程、密度梯度等对烧蚀瑞利－泰勒（RT）不稳定性的影响，并开展了神光系列激光装置辐射驱动烧蚀RT不稳定性实验的模拟研究；研究了烧蚀RT不稳定性长spike形成机制、α粒子能量沉积对流体力学不稳定性的影响；指出了低阶模面密度扰动是导致点火靶性能大幅下降的主因，并提出了新的点火裕量因子；实现了靶丸内爆两个量级多模扰动的大规模数值模拟，发现内爆减速阶段强非线性流动发展对点火热斑形成的破坏性影响。研究成果应用于点火靶物理设计，推进了以“零维设计、一维设计与优化、高维设计与评估”为主线的点火靶设计思路的建立，启发了间接—直接混合驱动新型点火方式和点火靶新驱动源脉冲形状设计思想的提出。. 四年来，共完成文章50篇（其中SCI文章40余篇），成功研制数值模拟程序5个；组织会议20余次，培养博士生4名，硕士生4名，完成了预定研究内容、达到了预期研究目标。