激光驱动聚变点火内爆中重要流体力学不稳定性基础问题研究

Now the nonlinear growth of hydrodynamic instabilities in implosions presents a serious design challenge and scientific risk for fusion ignition on the National Ignition Facility of US. Hydrodynamic instabilities play a critical role in inertial confinement fusion (ICF) and national defense fusion physics, which, meanwhile, relate to galaxy evolution, supernova explosions, and emerging young stellar objects in astrophysics. It involves multi-scale strong nonlinear plasma flows and hence belongs to a cross-subject of physics, mechanics, and mathematics. In this project, we adopt a combined research method including theoretical analyses, numerical simulations, and laboratory experiments. In this research, we investigates hydrodynamic instabilities in multilayer finite-thickness converging fluids, develops analysis methods for multi-scale flows, explores the control method for the growth of hydrodynamic instabilities in ICF implosions, and carries out theoretical designs for experiments of hydrodynamic instabilities on the Shenguang (SG) series laser facilities of China. We focus on the study of physical mechanisms of hydrodynamic instabilities in ICF implosions. In fact, we can take advantage of our strong knowledge background on hydrodynamic instabilities in ICF implosions and the national top-ranking conditions of numerical simulations and laser facilities, investigating key issues of hydrodynamic instabilities in the implosion of laser-driven fusion ignition. The results can support the research of ICF ignition target design of China, and improve the understanding of related process and rule in the national defense fusion physics and astrophysics.

目前内爆中流体力学不稳定性的非线性发展是美国国家点火装置上聚变点火面临的巨大科学挑战和风险。流体不稳定性是惯性约束聚变(ICF)和国防聚变物理研究的关键基础问题，也是星系演化、超新星爆炸、原始恒星形成等天体物理问题的重要研究内容，涉及多尺度强非线性复杂等离子体流动，属于物理、力学和数学的交叉学科课题。本项目采用理论、数值模拟和实验研究相结合的研究方法，开展内爆收缩几何多层流体不稳定性基础问题研究，发展多尺度流动的物理分析方法，探索激光驱动点火内爆流体不稳定性的有效控制手段，进行神光系列激光装置流体不稳定性实验的理论设计和实验结果分析。本项目注重物理规律研究，利用已有内爆流体不稳定性扎实物理基础、国内一流数值模拟条件和神光系列激光装置实验条件，开展内爆流体不稳定性关键基础问题研究，为我国ICF点火靶设计及其验证实验提供物理基础支持，并将深化国防内爆和天体物理相关物理过程及规律的认识。

流体力学不稳定性的非线性发展是美国国家点火装置(NIF)上聚变点火面临的巨大科学挑战。同时流体力学不稳定性是惯性约束聚变(ICF)内爆研究的关键基础问题，也是超新星爆炸等天体物理问题的重要研究内容。ICF内爆流体力学不稳定性涉及多尺度强非线性复杂等离子体流动，属于物理、力学和数学的交叉学科课题。本项目采用理论、数值模拟和实验研究相结合的研究方法，开展了ICF内爆收缩几何多层流体不稳定性基础问题研究，发展了多尺度流动的物理分析方法，探索了激光驱动点火内爆流体不稳定性的有效控制手段，开展了神光激光装置上流体不稳定性实验的理论设计和实验结果分析。本项目研究工作获得以下八个方面的成果。1)获得了ICF内爆流体不稳定性物理过程系统全面物理认识；2)获得了球型内爆RT不稳定性弱非线性增长的物理认识。3)初步建立了适用于ICF球型内爆的薄壳理论模型；4)提出了通过对驱动波形的调制实现对内爆流体力学不稳定性增长的控制技术；5)模拟研究表明热斑界面的流体不稳定性增长主要来自连续减速RT不稳定性阶段，提出了利用冲击波碰撞控制减速RT增长的新方法，提出了间接驱动冲击波辅助中心点火内爆设计的思路以及内爆流体力学不稳定性控制的策略；6)神光系列激光装置上开展的直接驱动RT不稳定性实验，首次观察到RT气泡非线性加速这一奇特的现象；7)模拟发现了密度过渡层对RM不稳定性的致稳效应作用；8)获得了ICF内爆有限厚度壳层多界面上RT不稳定性的线性和弱非线性增长的物理认识，阐明了薄壳效应是加快RT线性和非线增长的主要物理机制。本项目研究获得的相关物理成果，为ICF内爆物理研究和设计及其验证实验提供了物理支持，并将深化天体物理中相关物理过程及规律的认识。