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高能量密度动力学研究的内容和意义

来源:科技部  访问: 时间:2012/12/14 [ ] [ 打印 ] [ 关闭 ] [ 收藏 ]

高能量密度动力学研究的内容和意义

 

 

  孙承纬,中国工程院院士,爆炸力学专家。主要从事炸药爆轰物理、激光辐照效应、脉冲功率技术等应用基础研究。1963年毕业于北京大学数学力学系,时任流体物理所和上海等离子体研究所研究员,国家863计划八领域专家委员会顾问,中国物理学会常务理事,国际百万高斯磁场会议国际协调委员会委员。

 

  【报告摘要】

  高能量密度状态是指物质由于受到外界能量输人或自身能量转换,使其内能增大而造成的高压力、高密度和高温度状态。能量的体积密度的量纲等同于压力的量纲,由此可知内能增加量为1MJ/cm3时,物质内部的压力约为1TPa量级。通常认为在高能量密度状态下,固体物质的可压缩性已有显著影响,气态物质应达到接近极限压缩的程度,即相当于0.1TPa或0.1MJ/cm3的内能密度。例如密度为0.01/cm3的物质被加热到100eV,其压力约0.1TPa量级,对氢气(氘、氚)而言比能量约为10MJ/g。

  高能炸药PBX-9404的化学反应能密度约为0.0096MJ/cm3,爆压36GPa。核材料铀-235全部裂变释放的能量密度相当于1.386?106MJ/cm3,裂变反应区中压力达到5000TPa。比较这些数据可知,我们定义的高能量密度状态的下界,比炸药爆轰直接状态高出一个量级,相当于核裂变反应开始的状态(如炸药爆轰再经过内爆聚能达到的状态),属于应用非核聚能手段仍可达到的范围。高能量密度物理就是使用这些手段(包括爆轰、电磁力和激光烧蚀),把待研究的物质压缩到所需要的状态,并研究相应的极高速度、压力和温度条件下物质的性质和变化过程。这是一个核武器物理、天体物理、流体动力学和凝聚态物理的交叉领域,也是一个孕育着新发现和新认识的重要前沿学科。

  利用脉冲功率技术(电容器组、爆炸磁压缩装置和电子加速器等)提供的数十至数百兆安(MA)轴向冲击大电流,产生强大的箍缩电磁力,可把几厘米直径的金属或等离子体圆柱套筒高速压缩到上千万大气压力或上百万度温度的状态,并可维持微秒或纳秒量级的时间。这种电磁内爆实验可用来研究材料高压物态方程等极端条件下的物质性质、核武器内爆动力学和组件缺陷的影响、流体动力学界面不稳定性等物理问题,并能产生大量的软X射线用于核武器效应模拟研究。美、俄两国有关实验室用的电磁驱动内爆技术,已能造成每立方厘米物质的内能相当于上百克炸药能量的高能量密度状态。Atlas装置进行的高能量密度流体动力学实验,可实现压力量级为TPa的冲击压缩和等熵压缩,进行相关范围的物态方程研究;可进行圆柱形复合套筒内爆动力学、微喷射和微射流、特殊材料力学性能及层裂损伤、流体动力学内爆不稳定性和界面不稳定性、湍流混合、复杂构形三维流动(切向流,界面摩擦)等核武器物理主要问题的研究;还可用来探讨强耦合等离子体和温密物质的性质。

  Z机器驱动嵌套的120/240根双钨丝阵列(总质量为6mm),通过Z箍缩内爆等离子体产生软X射线辐射的峰值功率达到280TW,辐射总能量接近2MJ。利用上、下两个方向Z箍缩源产生对称的X射线,间接驱动次级黑腔中的ICF靶丸,有可能实现热核点火,或者用于低温范围的辐射输运及不透明度研究。这种强软X射线源为惯性约束聚变(ICF)和核武器物理实验室模拟研究开辟了新的途径。

  利用脉冲功率装置成功发展了磁驱动等熵压缩和高速飞片的技术,实现了冲击动力学和物态方程实验研究的重大创新。铝材料等熵压缩实验压力已达到260GPa以上,现在正向千万大气压(TPa)的目标前进。利用激光照射黑腔产生的软X射线平滑烧蚀加载,已使铝样品达到数百GPa范围的等熵压缩,NIF装置物理研究的重要目标之一是达到2TPa压力的等熵压缩。磁驱动直径2厘米、厚度0.8毫米铝飞片的速度已达到33km/s,已成功应用于金属、光学晶体、液氘以及特种核材料的超高压物态方程实验研究。

  激光惯性约束聚变利用高功率激光束,经聚焦达到直径为毫米量级、内含聚变燃料(如氘、氚)的微小靶丸表面的功率密度大于1014W/cm2,靶表面物质吸收激光后形成高温稀薄等离子体,通过电子热传导将能量传到靶的高密度区,以波动形式形成向内推进的高温烧蚀区。被烧蚀物质高速向外喷射,在喷射产物的反冲力作用下,靶内形成向心传播的高压冲击波,其压力达TPa量级,将靶丸体积压缩到十万分之一,燃料被压缩到每立方厘米几百克质量,芯部温度达到上亿度,达到与核武器热核爆炸环境接近的温度、密度与压力状态,发生热核反应。激光惯性约束聚变用于核武器物理模拟所能研究的问题有:等离子体物理、辐射输运及物理、内爆动力学、流体力学界面不稳定性以及提供核武器设计所需部分参数,如辐射自由程、超高压状态方程参数等,还可以检验核武器设计所需计算机程序及参数。

  随着高能量密度物理实验能力的提高,一门被称为“实验室天体物理”的学科正在形成,许多极端条件下的辐射流体力学现象可以在实验室内产生,用来与观察到的天体物理现象比较,从而可望揭开一些人们还不了解“宇宙之谜”。

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