速度分群情况下氘氚热核反应率的模拟与分析.pdfVIP

第30卷第3期 计 算 物 理 V01．30．No．3 OFCOMPUTATIONALPHYSICS 2013年5月 CHINESEJOURNAL May，2013 文章编号：1001-246X(2013)03-0387-09 速度分群情况下氘氚热核反应率的模拟与分析 李 蒙， 李百文+， 贾洪祥 (北京应用物理与计算数学研究所，北京100094) 摘 要：研究两种原子核粒子参与反应的热核聚变，假定一种原子核粒子处于热动平衡状态，对另一种原子核粒子 速度分布进行分群，推导分群热核反应率以及平均热核反应率，编制相应计算程序；以氘氚热核聚变反应为例计算 分群热核反应率和相应的平均热核反应率，并与直接积分结果进行对比；同时，细致研究平均热核反应率与速度分 群数目的关系． 关键词：热核聚变；平均热核反应率；分群热核反应率；Maxwell分布 中图分类号：0532+．13 文献标识码：A 0 引言 在实验室条件下实现可控的热核聚变反应，不仅能够为人类提供足够清洁和安全的能源，减少对媒、石 油等有限化石燃料的依赖，而且能够解决日益严重的环境污染问题‘1‘21．近些年来，惯性约束聚变和磁约束 聚变的研究一直是国际上广为关注的热点前沿课题．在众多轻核聚变反应中，氘氚聚变反应在相同温度下 热核反应率较大，反应所释放的能量较多，同时，更重要的是它能够在可以获得的较低温度(10keV量级)下 实现，因此，氘氚聚变反应是目前国内外受控热核聚变研究的主要目标． 热核反应率是表征热核聚变反应燃烧效率的特征物理量．在受控热核聚变和天体物理研究中，大多需要 处理两种不同种类原子核的混合物，假定混合物粒子处于相同温度的热动平衡状态，可以得到一个只与温度 相关的平均热核反应率，使用它研究热核聚变反应．如果需要参与反应的一种粒子在不同速度间隔内聚变 反应份额等细节信息、或者参与反应的粒子处于不同温度的热动平衡分布、或者参与反应的一种粒子为具有 一定能量的粒子束，等等，在这些情况下，仅使用平均热核反应率，显然无法满足研究需要，只有已知速度分 群热核反应率，才能正确描述和认识热核聚变反应过程．例如，在激光惯性约束点火靶的设计中，为了正确 获得描述点火靶性能的特征量面密度，为实验诊断提供理论依据，必须对氘氚热核聚变点火燃烧过程进行细 致研究‘3一引． 基于上述原因，以两种原子核粒子参与的聚变系统为研究对象，通过理论研究和数值模拟，对表征热核 聚变燃烧效率的特征物理量热核反应率进行研究．假定一种粒子速度分布处于热动平衡状态，对另一种粒 子速度分布进行合理分群，给出速度分群热核反应率以及由分群热核反应率导出的平均热核反应率的计算 公式，编制数值计算程序；以氘氚热核聚变反应为例，计算分群热核反应率和相应的平均热核反应率，并与直 接积分的结果进行比对，给出物理分析；同时，细致研究平均热核反应率与速度分群数目的关系．物理分析 表明：本文给出的计算公式正确，计算结果合理可靠． 1 速度分群热核反应率及平均热核反应率 对于只有两种原子核粒子参与的聚变系统，如果参与反应的一种原子核粒子口处于热动平衡状态，其速 度分布可以采用Maxwell分布函数描述，即 收稿日期：2012—08—29；修回日期：20t2—12—11 作者简介：李蒙(1972一)．男，山东，硕士，副研究员，从事带电粒子输运及内爆物理等研究，E—mail：li—meng@iapcm．ac．cn +通讯作者：李百文，E·mail：li_baiwen@iapcm．ac．cn 万方数据 388 计 算 物 理 第30卷 加小(南)唧(_器)． 假定参与反应的另一种原子核粒子为d，其速度分布可以是Maxwell分布，也可以是其它任意分布．如果定 义两种原子核的相对速度g=_I，。一y。，于是，两种原子核发生聚变反应的平均热核反应率可以写为 (orv(r))=忧(