ICF中高能电子和离子输运的Monte-Carlo算法研究和程序研制

"快点火"是惯性约束聚变研究中重要的组成部分，通过数值模拟理解高能电子、高能离子的输运过程，对点火激光参数和靶结构和材料设计具有重要作用。本项目针对惯性约束聚变中高能电子、高能离子到高密度靶心区的输运过程，拟采用Monte Carlo方法，研制具有自主知识产权、包含自生电场磁场效应的、多维并行程序算法和代码。

针对ICF中高能电子、离子在稠密冷等离子体中的输运问题的模拟，设计了混合模拟算法。假设背景稠密冷等离子体采用流体方法描述，但并不真正求解流体方程组，而是假设背景冷等离子体中粒子的位置始终保持不变，但动量和能量随时间变化，它们产生的感应电流完全中和输运粒子产生的电流；而高能的输运粒子采用相对论Fokker-Planck方程描述，它们同时受背景稠密冷等离子体的Coulomb碰撞以及自生电磁场的作用。自生电磁场通过数值求解Ohm方程获得，其中材料的电导率由经验公式或实验数据拟合得到。本项目组完成了程序的算法设计、代码编制和可靠性验证。证实该程序可以高效地运行，典型的3维模拟所需时间在单机环境下约2－4小时。利用该程序，并确结合课题组已有的PIC粒子模拟程序，对ICF中高能电子、高能离子的产生、输运等一些物理过程进行了大量的研究。取得了如下一些进展：（1）研究了高能电子在高密度压缩靶内的传输机制，发现自生磁场能使高能电子束形成自准直现象，增强了高能电子与背景等离子体的能量耦合效率。（2）研究金锥加微通靶中高能电子的传输特性，发现微通道壁面产生的自生磁场能限制高能电子的发散；（3）研究了外加磁场强度对高能电子输运和耦合效率的影响，在外加磁场条件下，提出通过诊断靶中不同深度的超热电子的束半径来反推出超热电子的初始发散角的实验方法；（4）研究了双电子束在固体靶中输运的相互作用问题，以及它们在靶表面形成的磁场结构的演化。（5）研究了两束超强激光与球壳靶相互作用时，高能量高密度的电子／离子中性束的产生和传输，它们碰撞引发的不稳定性大大地增强了局域的能量沉积。这些结果对ICF的快点火方案的物理设计，具有较大的参考价值。