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第1章 惯性约束聚变的基本原理1

1.1 引言1

1.2 实现惯性约束聚变的基本条件4

1.3 实现惯性约束聚变的主要技术途径6

1.3.1 内爆增压技术6

1.3.2 氘氚中心点火与热核燃烧7

1.4 惯性聚变能发电的基本原理9

参考文献13

第2章 激光的传播与吸收14

2.1 引言14

2.2 等离子体的基本概念14

2.2.1 德拜屏蔽长度15

2.2.2 电子等离子体频率16

2.2.3 电子被离子散射偏转90°的时间18

2.3 激光在等离子体中传播的波动方程和色散关系20

2.4 激光在非均匀等离子体中传播的WKB解22

2.5 激光在常密度梯度等离子体中传播的解析解25

2.6 斜入射激光在非均匀等离子体中的传播与共振吸收28

2.6.1 斜入射S—极化光波29

2.6.2 斜入射P—极化光波和共振吸收30

2.7 激光在等离子体中的碰撞吸收34

2.7.1 光波包括碰撞阻尼时的色散关系34

2.7.2 激光的逆韧致吸收系数38

2.7.3 逆韧致吸收的非线性减小38

2.8 参量过程40

2.9 激光束的几何光学近似41

2.9.1 激光束的几何光路方程41

2.9.2 激光几何光路的物理解释43

2.9.3 几何光路方程在一种特殊情况下的解45

2.9.4 几何光路的数值求解46

2.9.5 沿激光传播路径的逆韧致吸收46

2.10 碰撞阻尼系数的推导50

参考文献54

第3章 激光与靶耦合晕区物理55

3.1 引言55

3.2 高功率斜入射激光与高Z靶耦合非局域吸收的理论模型58

3.2.1 激光的传播和能量沉积59

3.2.2 原子的离化和x射线的发射机制62

3.2.3 激光平面靶耦合的流体力学方程组64

3.2.4 分区求解65

3.2.5 整体解、激光吸收效率和x射线转换效率68

3.3 三温或多温电子等离子体的自由膨胀模型72

3.3.1 描述一维平面三温电子等离子体自由膨胀的列方程组73

3.3.2 相似解与离子的速度分布74

3.4 超热电子的阻止功率及其在慢化过程中产生的韧致谱80

3.4.1 超热电子在等离子体中的能耗机制及其阻止功率81

3.4.2 超热电子的韧致谱84

3.5 激光与腔靶耦合产生的超热电子和快离子88

3.5.1 硬X射线的穿透率88

3.5.2 硬X射线的角分布90

3.5.3 超热电子转换成硬x射线的效率91

3.5.4 超热电子的能量和数目91

参考文献93

第4章 电子热传导和电子烧蚀压95

4.1 激光等离子体的流场分布95

4.2 电子经典热传导97

4.3 经典热传导的局限性和多群限流扩散100

4.4 非局域电子热输运102

4.5 影响电子热输运的其它因素104

4.6 实验观察到的热流受阻现象105

4.7 在数值模拟计算中电子热传导的唯象处理107

4.8 电子烧蚀压与激光吸收功率密度的定标关系109

4.8.1 电子烧蚀的理论模型109

4.8.2 电子烧蚀压的实验测量结果113

参考文献114

第5章 激光—X射线转换物理116

5.1 引言116

5.2 激光等离子体的空间特性118

5.3 激光等离子体的非平衡特性和弛豫时间119

5.3.1 带电粒子的弛豫时间119

5.3.2 辐射与物质相互作用的弛豫过程122

5.4 简化的原子动力学模型127

5.4.1 平均原子模型128

5.4.2 离化势的改进计算公式131

5.5 束缚电子占据数概率Pn方程的建立132

5.5.1 光电吸收和光电复合发射132

5.5.2 电子碰撞电离和碰撞复合135

5.5.3 电子碰撞激发与退激发136

5.5.4 谱线吸收与谱线发射140

5.5.5 总的Pn动力学方程组142

5.6 X射线的发射速率和吸收系数143

5.6.1 X射线能量发射速率和吸收系数143

5.6.2 光子的发射和吸收概率144

5.6.3 电子和光子能量方程中的能量交换项146

5.7 几种简化的等离子体模型147

5.7.1 局部热动平衡模型148

5.7.2 电晕模型和碰撞辐射模型149

5.7.3 多次电离离化度的近似计算方法150

5.8 数值模拟激光—X射线转换的物理方程组157

5.8.1 流体力学方程组157

5.8.2 在能量方程中的源项和能量交换项160

5.9 激光产生的X射线特性163

5.9.1 非平衡电离与复合163

5.9.2 X射线的发射机制163

5.9.3 X射线转换的空间分布163

5.9.4 X射线发射的能谱特性164

5.9.5 X射线发射的时间特性164

5.10 腔靶辐射场的定标规律164

5.10.1 解析规律164

5.10.2 定标规律的数值模拟研究166

参考文献166

第6章 内爆动力学168

6.1 激光聚变核物理基础168

6.1.1 库仑势垒168

6.1.2 热核反应169

6.1.3 热核反应速率171

6.1.4 核聚变反应173

6.1.5 次级带电粒子的能量174

6.1.6 热核反应截面175

6.2 实现激光聚变的两种途径178

6.2.1 两种驱动方式178

6.2.2 聚变靶丸的理论分析179

6.2.3 球形靶丸的内爆效率195

6.2.4 辐射烧蚀规律的辐射流体力学描述199

6.3 实现高压缩度的方法219

6.3.1 实现等熵压缩对驱动源脉冲的要求219

6.3.2 防止超热电子和硬X射线对燃料的预热223

6.4 状态方程225

6.4.1 理想气体状态方程225

6.4.2 费米简并电子气体227

6.4.3 托马斯—费米模型228

6.4.4 托马斯—费米—狄拉克理论229

6.4.5 辐射能和辐射压230

6.4.6 部分电离等离子体的理想气体状态方程232

6.5 数值模拟内爆和热核燃烧的辐射流体力学方程组235

6.6 点火条件和能量增益240

6.6.1 点火条件240

6.6.2 热核增益245

6.7 惯性约束聚变的进展与展望251

参考文献254

第7章 对称性和流体力学不稳定性256

7.1 引言256

7.2 流体力学不稳定性的实验研究257

7.3 内爆对驱动源辐照均匀性的要求270

7.4 流体力学不稳定性的理论描述275

7.5 理想流体的平面瑞利—泰勒不稳定性278

7.5.1 不可压流体力学方程组278

7.5.2 物质界面上的条件279

7.5.3 Taylor不稳定性281

7.5.4 Richtmyer-Meshkov（R-M）不稳定性284

7.5.5 Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性285

7.6 烧蚀致稳效应287

7.7 多模非线性发展的开始289

7.8 具有二阶模耦合的模态模型293

7.8.1 二阶模耦合方程294

7.8.2 饱和开关和饱和后的模耦合297

参考文献299

第8章 输运理论概要301

8.1 输运理论的研究对象和研究内容301

8.2 输运方程304

8.2.1 粒子分布函数304

8.2.2 输运方程一般形式的推导308

8.2.3 各种粒子输运理论的扼要比较318

8.2.4 在轴对称圆柱坐标系中输运方程的形式324

8.2.5 考虑流体力学运动时输运方程的形式327

8.3 输运方程的求解330

8.3.1 单群和多群近似331

8.3.2 对粒子运动方向Ω的近似336

8.4 辐射输运方程351

8.4.1 辐射输运方程的建立351

8.4.2 扩散近似和Rosseland辐射平均自由程355

8.5 几何自由程358

8.6 在介质运动情况下光子的扩散方程361

参考文献370

第9章 激光聚变“快点火”物理基础371

9.1 引言371

9.2 等密度内爆预压缩和能量增益372

9.2.1 内爆预压缩所需的能量372

9.2.2 能量增益373

9.3 “快点火”点火物理376

9.3.1 点火与低倍增益376

9.3.2 点火所需能量和快点火的其它优越性376

9.4 超强激光与等离子体相互作用378

9.4.1 相对论电子动力学379

9.4.2 超强激光和次临界等离子体的相互作用383

9.4.3 超强激光在稠密等离子体中的传输386

9.4.4 超热电子流和强磁场387

9.4.5 超热电子在稠密等离子体中的传输388

参考文献393

附录A 量纲分析和自型解396

A.1 引言396

A.2 量纲和量纲公式397

A.3 π定理399

A.4 求无量纲组合的步骤400

A.5 判断量纲相关和无关的方法402

A.6 辐射热传导方程的自型解408

A.6.1 常温驱动的辐射波408

A.6.2 e指数增长的边界温度驱动的辐射波416

A.7 辐射流体力学方程组的自相似变换423

A.7.1 辐射流体力学方程组的相似变换423

A.7.2 在几种特殊情况下自型解的幂指数规律427

A.7.3 边界温度与辐射穿透之间的定标规律431

A.7.4 结果讨论433

A.7.5 物理量随时间e指数变化的自型解435

A.8 辐射烧蚀的自调制准定态模型437

A.8.1 自调制准定态模型的数学描述438

A.8.2 整体解和烧蚀参量的定标规律442

A.8.3 冲击波区的能量444

A.8.4 模型计算结果与实验测量值的比较446

A.8.5 结果讨论448

参考文献449