惯性约束聚变中带电粒子输运问题的研究

采用理论研究与数值模拟，开展带电粒子输运问题的研究，建立高置信度的数值模拟能力。第一，从核反应运动学出发，通过合理的物理假设，推导带电粒子的能量、能谱、射程以及从聚变区界面的漏失几率，编制一维界面漏失程序，通过考察带电粒子的射程与界面漏失几率等物理量，给出带电粒子输运的初步物理规律；第二，推导给出包括二次弥散项的Fokker-Planck方程，编制一维多群SN输运程序，模拟热核聚变反应产物带电粒子的输运、能量沉积与热核点火燃烧过程，进一步总结和完善带电粒子输运的定性与定量规律；第三，通过对比研究，考查一维界面漏失与一维多群SN输运两个程序的适应性以及物理建模的合理性；最后，采用柱坐标和改进扩散近似，开展二维带电粒子输运程序的编制和初步的数值模拟研究。.本研究不仅有助于正确模拟和解释惯性约束聚变热核点火燃烧过程，而且对其它聚变系统的研究也是不可缺少的重要研究课题，具有潜在的国防应用价值。

本项目通过理论研究和数值模拟，开展带电粒子输运问题的研究。项目执行期间，研究工作进展顺利，在完成各项研究内容基础上，追加了激光与结构靶相互作用过程中激光吸收、快电子产生与输运等相关研究工作；项目取得了预期的研究成果，通过对研究成果的整理和总结，在国内外期刊上发表论文10篇，另有2篇论文被接受发表。导出了带电粒子的能量与能谱、射程及界面漏失几率，完成了一维界面漏失程序的编制，初步给出了带电粒子输运的物理规律；导出了一维球坐标下Fokker-Planck方程，完成了一维多群输运程序的编制，进一步分析总结了带电粒子输运的物理规律；通过对比研究，考查了一维界面漏失与多群输运程序的适应性，检验了物理建模的合理性。开展了氚核分群下氘氚热核反应速率的理论研究和数值计算，为一维输运程序和二维扩散程序的研制提供了高精度的分群热核反应速率等参数。通过一维带电粒子输运与多群辐射输运程序相耦合，开展了惯性约束聚变中带电粒子输运相关问题的研究。开展了热斑点火的模拟研究，分析了爆轰波形成后各能耗项与粒子能量沉积项的作用、爆轰过程及热核爆轰的产生条件；研究了热斑点火条件，给出了热斑点火判据和内部自持点火条件；开展了激光聚变气体靶核反应速率研究，揭示了核反应速率双峰现象的物理机制；探讨了点火靶计算中电子热传导限流对热斑形成的影响；开展了间接驱动中心点火靶辐射源整形方法研究，给出了实现高密度低熵压缩的辐射脉冲温度曲线；分析了辐射驱动不对称性对靶球压缩的影响；探讨了示踪材料在内爆X光诊断过程中的作用。导出了柱坐标下Fokker-Planck方程的扩散形式，完成了带电粒子输运二维扩散程序的编制。开展了氚核在纯氘靶球中输运的二维模拟，通过对二维图像的分析表明，热斑形状变化影响氚核能量沉积及其核反应过程；同时，研究了具有不同形状比的靶球对初次级中子产额比的影响。通过二维粒子模拟开展了激光与结构靶相互作用过程中激光吸收、快电子产生及输运问题的研究。研究揭示了纳米层靶导致激光能量高效吸收、纳米层锥靶导致有效激光吸收和电子产额提高、纳米刷靶设计下快电子束准直，以及改进型锥-纳米层靶设计下电子束准直和微焦斑电子束产生的物理机制，提出了快电子产生与电子束参数调控的初步设想。开展了快点火参数下快电子输运中欧姆加热和碰撞效应对能量沉积的影响研究，通过对比分析给出了判断二者相对重要性的判据。