ICF黑腔电子热传导问题的研究

Electron heat conduction plays an important role in the plasmas generated by laser ablation. In hohlraum studies, the electron heat conduction influences the laser absorption and conversion, the temporal and spatial behavior and the spectrum of radiation field and plasma conditions inside hohlraum, further influences the laser plasma interaction and the radiation uniformity of capsule placed at the center of hohlraum, and finally influences significantly the ignition. In this work, we will adopt the methodology combining numerical simulation and theoretical analysis, study the influence of electron heat conduction on laser absorption and conversion, laser ablation and the characteristics of radiaton field inside hohlraums. We will investigate the new electron transport model including the laser heating, the self-generated magnetic filed and the nonlocality, and incorporate the model into the hydrodynamical codes which are used for ICF studies. We expect that we can obtain some achievements in this research work through analyzing simulation results obtained by using different electron transport models. The results will be helpful for ICF studies and the ignition target design.

电子热传导在激光烧蚀产生的等离子体中起着极其重要的作用。在黑腔物理研究中，电子热传导会影响激光的吸收与转换，黑腔辐射场的时空特性、谱结构以及等离子体状态，进而会影响激光等离子体相互作用以及靶丸的辐照均匀性，关系到点火的成败。本项目将结合数值模拟与理论分析，深入研究电子热传导对激光的吸收与转换、激光烧蚀过程的影响。探索发展包含激光加热，自生磁场以及非局域效应等多种物理因素的电子热传导模型，研究影响电子热传导的物理机制，并将其应用到用于研究惯性约束聚变的辐射流体力学程序中。希望通过研究不同电子热传导模型下的辐射场时空特性，激光光斑运动以及黑腔等离子体状态等多种物理现象，获得创新性的研究成果，为点火腔的设计提供必要的物理基础。研究成果将有助于对提高对惯性约束聚变黑腔物理的认识并会促进点火靶设计的研究进展。

间接驱动ICF研究已经取得了很多重要的研究进展，但点火的目标一直没有实现。导致点火失败的主要原因之一在于柱形黑腔中的辐照不均匀性远高预期。并且人们对黑腔物理的复杂性认识不足。目前，数值模拟程序还不能完全重现黑腔物理实验中所获得的实验结果，尤其是在黑腔等离子体状态方面。在黑腔物理研究中，电子热传导是一个非常重要的基础问题。为了提高数值模拟程序的置信度，人们重新开始研究激光等离子体中的电子热传导问题，发展可直接用于辐射流体力学程序的电子热传导模型。.在本项目中，我们从库伦碰撞出发，推导了Fokker-Planck方程。又从Fokker-Planck方程出发，详细推导了电子热传导模型中各个物理量的表达式。当电子分布函数为Maxwell分布时，得到的电子热流为Spitzer-Harm热流。Spitzer-Harm电子热传导中，电子热流只与电子温度有关，电子热传导系数与电子温度的2.5次方成正比。当电子为超高斯分布时，电子热流不仅与温度梯度有关，还与电子数密度和超高斯分布中的指数因子有关。即在激光等离子体中的等温区也可能有电子热流出现。由电子数密度引起的电子热流与其梯度的方向相同。从Fokker-Planck方程出发，我们还推导了Braginskii电子热传导。在此基础上，又考虑了激光加热引起的电子分布函数为超高斯分布的效应。由于激光加热会减少高速电子的份额，因此会抑制电子扩散热流和Righi-Leduc流。同时，激光加热还会抑制自生磁场的产生速率和Nernst效应。另外，在同时考虑磁场和激光加热的电子热传导中，也会出现等温热流，并且由于等温热流的出现，还有等温Righi-Leduc流和等温Nernst效应出现。.我们还研究了不同的电子热传导模型对激光烧蚀金靶的影响。从数值模拟结果可以看出，不同的电子热传导模型得到的冕区的等离子体状态有较大的差异。在激光等离子体中，激光加热和电子热流的非局域性之间存在一定的竞争关系。.本项目取得的研究成果有助于深入理解激光烧蚀高Z材料的物理过程，进而提高对黑腔物理的理解。