Введение к работе
Актуальность темы
В последние десятилетия интенсивно развивались исследования процессов, протекающих при экстремальных условиях, характеризуемых высокими плотностями энергии (давления 100 к бар и выше, температуры 104 К и выше). Интерес к такого рода явлениям диктуется и таким фундаментальным проектом, как инерционный термоядерный синтез (ИТС). Кроме того исследования вещества при высоких плотностях энергии представляют фундаментальный интерес для геофизики, астрофизики и других наук. Ход процессов, протекающих при экстремальных условиях, как правило, характеризуется большой сложностью, влиянием большого количества физических факторов, причём прямая диагностика некоторых важных параметров бывает невозможна. Без предварительного детального анализа и расчёта протекания процесса по меньшей мере неэкономично, а зачастую и просто невозможно, само проведение физического эксперимента. В этом случае незаменимым инструментом исследования выступает численное моделирование (вычислительный эксперимент).
В диссертационной работе нашли отражение некоторые вопросы, прямо пли косвенно связанные с ИТС:
проблемы зажигания и горения мишеней ИТС,
некоторые возможности исследования вещества на примере перехода водорода в металлическое состояние,
автомодельные гидродинамические течения, возникающие в слое преобразования лазерного излучения в тепловое рентгеновское.
Так первая глава полностью посвящена постановке вычислительного эксперимента на стадии горения дейтерий-тритиевых (DT) мишеней в ИТС п анализу ряда полученных на его основе результатов.
Вторая глава посвящена дизайну экспериментов по получению металлического состояния водорода. Такие эксперименты могли бы стать промежуточным шагом на пути к брэйкпвену (когда энергетический термо- . ядерный выход от зажжённой топливной DT-капсулы превзойдёт энегию, затраченную на зажигание) в ИТС п могли бы быть проведены на уже существующем оборудовании для ИТС. В этих экспериментах требуется :жать твёрдый водород в ~ 15 раз (для сравнения, в ИТС для достижения Зрэйкпвена требуется сжать DT-топлпво в ~ 1000 раз) с как можно более зпзкой энтропией.
Третья глава связана с преобразованием лазерного излучения в тепловое рентгеновское, что по сути является основой схем ИТС непрямого воздействия (indirect drive fusion).
Цель работы
Целью работы является исследование вышеупомянутых проблем путём постановки и проведения численных экспериментов.
Научная новизна и практическая ценность
Разработан численный гидродинамический код, позволяющий проводить вычислительный эксперимент для мишеней ИТС на стадии зажигания и горения. Сильными его сторонами, определяющими новизну, являются
кинетическое описание заряженных, продуктов синтеза, что позволяет адекватно исследовать топливные конфигурации с произвольным параметром удержания (pR) (наиболее целесообразным является применение такого описания для малых и умеренных параметров удержания {рй) < 2 г/см?, когда описание переноса энергии продуктами синтеза с помощью диффузионных приближений, а тем более и приближения локального энерговыделения, становится неточным),
описание переноса излучения на основе прямого численного рещения уравнения переноса, что позволяет исследовать топливные конфигурации различной оптической плотности.
Были проведены систематические расчёты однородных и искровых конфигураций с массой DT-топлива от 0.1 до 10 мг, представляющих практический интерес. Проведены сравнения с диффузионным приближением в приближением локального энерговыделения. Получено условие искрового зажигания. Исследовано влияние содержания трития на суммарный энергетический выход.
С небольшими изменениями данный код может применён и для других видов термоядерного горючего, а также для других задач.
На основе серии проведённых численных экспериментов во второй главе предлагаются а исследуются схемы проведения физических экспериментов по получению металлического состояния водорода. Обсуждаются возможности использования для этого существующих килоджоульиых лазеров. Приведены конкретные схемы лазерного низкоэнтрошшного сж«*" тия твёрдого водорода.
В третьей главе впервые исследован один тип автомодельных гидродинамических течений, возникающих в слое преобразования лазерного излучения в рентгеновское в нагреваемом лазером твёрдом теле. Полученные профили пространственного ивременного развития гидродинамического течения показывают, что рентгеновское излучение генерируется в тонком слое вблизи зовы переизлученпя.
Апробация работы
Материалы, отражающие содержание диссертационной работы,' с достаточной полной опубликованы в работах [1-13] и докладывались на конференциях
па Всесоюзной конференции "Современные проблемы физики и её приложений" (Москва, ВДНХ, 1987),
на Международной конференции "Physics of High Energy Density in Matter and Inertial Confinement Fusion" (Hirschegg, Austria, 1994),
на Европейской конференции 23-ECLIM (European Conference on Laser Interactions with Matter, Oxford, England, 1994),
на Международной конференции 12-LIRPP (International Conference on Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, Osaka, Japan, 1995),
Международной конференции "Актуальные проблемы вычислительной механики и параллельное моделирование" (Москва, 1995),
а также на семинаре Теоретического отдела ИВТАН, на семинарах Московского физико-технического института, Института автоматизации проектирования РАН, Max-Planck-Institut far Quantenoptik (ФРГ).
Объём и структура работы
Диссертация изложена на 118 страницах и состоит из введения, трёх глав, каждая из которых содержит собственное заключение, списка литературы из 104 найменований и 34 рисунков.