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辐射流体力学

在惯性约束聚变中,固体热核燃料(氘和氚)的外壳通过紫外激光直接照射(直接驱动)或间接用激光产生的x射线(间接驱动)照射其表面而发生内爆。在这两种情况下,内爆的动力学都受流体力学定律的支配。质量守恒和动量守恒与描述经典流体力学的相同。激光或x射线辐射场与等离子体内能或动能之间的能量传递使能量守恒变得复杂。包括辐射能量传输的经典流体力学通常被称为“辐射流体力学”,后者是天体物理学中一门著名的学科。在ICF中,利用辐射流体力学来预测内爆动力学和流体动力不稳定性引起的壳体畸变程度。在天体物理学中,辐射流体力学被用来研究恒星的动力学。实现热核点火的主要障碍是内爆壳内外表面出现所谓的“瑞利-泰勒不稳定性(RTI)”。当重流体对轻流体加速时,就会发生RTI。在ICF中,重流体是被低密度烧蚀等离子体(轻流体)加速的压缩靶。由于其对ICF内爆的破坏性影响(一个小扰动在内爆过程中可能增长数千倍),因此必须充分了解这种不稳定性的物理和稳定机制。虽然两种无粘叠加流体的RTI的物理性质是众所周知的,但激光加速靶的RTI受激光烧蚀、电子和辐射能量传输以及复杂的密度分布的影响。LLE开发了二维和三维数值模拟以及复杂的分析理论来预测RTI的演变。这些理论和模拟已经与详细的实验观察进行了比较。使用欧米茄激光系统进行的实验活动产生了一组可靠的数据,从而验证了LLE开发的流体力学代码和理论。RTI在超新星等天体物理物体的动力学中也起着重要作用。最近,哈勃太空望远镜拍摄的超新星SN1987A残骸的图像显示,随着密度更高的喷射物被密度较小的喷射物加速,超新星喷出物中的RTI发生了变化。

瑞利-泰勒不稳定性图
Rayleigh–Taylor不稳定性图:二维和三维数值模拟预测RTI的演化

高压缩通常通过几个激光驱动冲击或连续压缩来实现。这种强激波的传播依赖于物质状态方程(EOS是另一个辐射流体动力学方程)。大多数材料的状态方程在Mbar和gigabar的压力范围内并不为人所知。在如此高的压力下更好地测定物态方程在天体物理学中也有重要的应用,如了解恒星和行星核心的动力学行为。直到最近,EOS数据只能通过地下核爆炸获得。利用高功率激光,优德买球 现在能够收集到许多材料在高能量密度区的状态方程的重要信息。辐射流体力学定律描述了物质压缩到高能密度物理的参数空间。在全压缩状态下,ICF胶囊中的等离子体压力约为数十亿巴。高温高密度触发热核点火和燃烧波的传播。为了研究点火过程,必须对辐射流体动力学方程进行改进,将核反应速率和α粒子能量沉积模型纳入压缩舱核心。在激光能量学实验室,对DT胶囊的内爆、点火和燃烧进行全二维模拟,以确定国家点火设施中使用的高增益目标的最佳设计。机械工程和物理系积极参与惯性约束聚变和天体物理学中辐射流体力学和流体动力学不稳定性的研究。

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