惯性约束聚变理论与数值计算

目录前言引论 1 0.1核能源 1 0.2恒星中的核聚变 5 0.3聚变能研究的历史 7 0.4惯性约束聚变研究现状及遇到的挑战 15 参考文献 23 第1章 聚变反应与惯性约束聚变物理 25 1.1核反应 25 1.2原子核的结合能 29 1.3可资利用的聚变反应及其反应截面 33 1.4热核聚变反应率 38 1.4.1 热核反应 38 1.4.2热核反应率 40 1.4.3热核反应放能的功率密度 45 1.5惯性约束聚变的一般物理要求 47 1.5.1劳森判据的一般形式 47 1.5.2惯性约束聚变的点火条件 50 1.5.3 惯性约束聚变的点火条件对密度的要求 51 1.5.4聚变点火条件对燃料温度的要求 53 1.5.5 α粒子射程对面密度 ρ R的要求 54 1.5.6靶丸球形内爆和中心点火 55参考文献 58 惯性约束聚变理论与数值计算 第2章 球壳靶的内爆动力学 60 2.1实现惯性约束聚变的方式 60 2.1.1激光核聚变 61 2.1.2相对论电子束引起的热核聚变 65 2.1.3重离子束对热核聚变的应用 66 2.1.4靶丸内爆对称性要求 66 2.1.5聚变燃料的预热问题 67 2.2几种特殊的靶设计 68 2.2.1玻璃微球靶 68 2.2.2高增益的激光聚变靶 69 2.2.3高增益的离子束聚变靶 70 2.3熵和冲击波 71 2.4薄球壳的一维内爆动力学 77 2.5激光和X射线对平面靶的烧蚀 92 2.5.1直接驱动靶的烧蚀过程 92 2.5.2间接驱动靶的烧蚀过程 104 2.6流体力学不稳定性 106 2.6.1 Rayleigh-Taylor不稳定性 108 2.6.2 Ritchmyer-Meshkov不稳定性 117 2.6.3 烧蚀 Rayleigh-Taylor不稳定性 119 2.6.4 烧蚀 Ritchmyer-Meshkov不稳定性 124附录 1 **的 Rayleigh-Taylor不稳定性理论 126附录 2 Ritchmyer-Meshkov不稳定性的脉冲模型 131参考文献 134 第3章 热斑点火 135 3.1热斑点火的准静态模型 135 3.2热斑点火的动力学模型 139 3.3一维动力学模型求解 —用noα 推导无量纲方程 148 3.4点火条件 155 3.4.1 无α加热的产额 157 3.4.2 考虑 α粒子加热后的产额 1583.5热斑的温度 160参考文献 172 第4章 α粒子加热和能量增益 174 4.1等离子体中能量变化方程 174 4.1.1 α粒子加热的功率密度 174 4.1.2等离子体的轫致辐射功率密度 175 4.1.3等离子体热传导能量损失的功率密度 180 4.2热核反应燃耗和能量增益 182 4.2.1热核反应燃耗 182 4.2.2球壳靶的能量增益 186参考文献 189 第5章 激光等离子体相互作用 190 5.1 概述 190 5.1.1激光的特点和指标 190 5.1.2等离子体对激光能量的吸收过程 191 5.1.3激光等离子体相互作用的区域和特点 191 5.1.4激光等离子体相互作用的主要物理过程 192 5.1.5激光等离子体相互作用研究的目的、内容和方法 193 5.2等离子体中带电粒子的运动描述 194 5.2.1 德拜屏蔽 194 5.2.2运动论层次的描述 195 5.2.3粒子运动的双流体的描述 197 5.3等离子体中的波 199 5.3.1等离子体中的静电波 —电子 Langmuir波 199 5.3.2等离子体中的离子声波 202 5.4高频电磁波在等离子体中的波动方程 204 5.4.1描述等离子体中电磁场运动的两种观点 204 5.4.2广义欧姆定律的高频形式 206 5.4.3等离子体中高频场的波动方程 208 5.4.4等离子体中高频电磁波的色散关系 2095.4.5 等离子体对光波能量的线性吸收系数κ （逆轫致吸收系数） 211 5.5等离子体中光波波动方程的解 214 5.5.1垂直入射激光在密度线性变化的等离子体中波动方程的解 215 5.5.2 斜入射 S极化激光波在非均匀密度等离子体中波动方程的解 219 5.5.3 斯涅耳定律 223 5.6等离子体中对光波的共振吸收 224 5.6.1 电子 Langmuir波的驱动电场 224 5.6.2等离子体对激光共振吸收的能量份额 229 5.7等离子体对激光能量的碰撞吸收 232 5.8激光束在等离子体中传播的几何光学近似 241 5.8.1激光传播正则方程和几何光路方程 241 5.8.2等离子体对激光能量碰撞吸收的几何光路计算 244参考文献 249 第6章 物态方程 250 6.1理想等离子体的物态方程 250 6.2费米简并电子气体的物态方程 253 6.3托马斯-费米理论 254 6.4全局物态方程 258 6.5物态方程应用举例 265 6.5.1全局物态方程与其他参数库的比较 265 6.5.2不同模型参数对辐射流体力学模拟结果的影响 266附录 热力学公式 268 参考文献 271 第7章带电粒子在靶中的能量沉积 273 7.1物质对带电粒子的阻止本领 273 7.2考虑束缚电子作用时物质的阻止本领 278 7.3强流粒子束的欧姆加热 283参考文献 286 第8章流体力学自相似理论及应用 287 8.1量纲和量纲分析 2878.2自相似理论 291 8.3内爆过程的自相似性 296参考文献 305 第9章 辐射流体力学数值模拟 306 9.1辐射流体力学方程组 306 9.1.1 Euler观点下的辐射流体力学方程组 309 9.1.2辐射流体力学方程组的随体微商形式 311 9.1.3等离子体中的三温方程组 313 9.1.4 Lagrange辐射流体力学方程组 316附录 对流体元体积积分的随体微商公式 318 9.2辐射流体力学方程组的数值解 319 9.2.1 一维球对称几何下辐射流体力学方程组的形式 319 9.2.2 一维球对称几何下 Lagrange辐射流体力学方程组的差分格式 321 9.2.3计算精度和稳定性检验 329 9.3辐射磁流体力学方程组 332 9.3.1 辐射磁流体力学方程组的形式 332 9.3.2 广义欧姆定律 333 9.3.3 辐射磁流体力学方程组的封闭性 335 9.3.4 辐射磁流体力学方程组的随体时间微商形式 336 9.3.5 Lagrange观点下的辐射磁流体力学方程组 337 9.3.6 电磁场动量守恒方程和能量守恒方程 337 9.4辐射输运方程及其解 339 9.4.1辐射输运方程 339 9.4.2物质的光辐射特性参数 344 9.4.3辐射输运方程的近似解 346 9.4.4辐射输运方程的积分形式 350参考文献 355 第10 章中子输运和核素燃耗 356 10.1多群中子输运方程 356 10.2一维中子输运方程的数值解 36110.2.1一维平板几何问题 363 10.2.2一维球对称几何问题 367 10.2.3裸铀球中子有效增殖因子的数值计算 375 10.3运动介质中的中子输运问题 377 10.3.1考虑介质运动时的中子输运方程 377 10.3.2中子输运方程的 Lagrange形式 379 10.3.3 Lagrange形式中子输运方程的数值解法 382附录 负通量的处理与收敛条件 389 10.3.4中子增殖系统时间常数和有效增殖因子的计算 390附录 时间常数 λf的计算 395 10.3.5裂变聚变系统爆炸当量的计算 397 10.4核素燃耗方程 401 10.4.1核素燃耗方程的建立 401 10.4.2核素燃耗方程的数值解 406附录 可裂变核素X(i)的燃耗方程 410 10.4.3 α粒子的能量沉积对等离子体的自加热 411参考文献 416