Разработка и развитие математических моделей и численных гидродинамических кодов (1D,2D,3D) для решения задач лазерного термоядерного синтеза.

Проект направлен на решение важнейших фундаментальных и прикладных задач математического моделирования и физики высоких плотностей энергии, относящихся, в первую очередь, к лазерному термоядерному синтезу на основе программных комплексов, разработанных в ходе выполнения основного проекта (2016-2018 гг.). К ним, в первую очередь, относится: совершенствование разработанных кодов, численное моделирование физических процессов в лазерных термоядерных мишенях с целью развития существующих и поиска новых методов зажигания; расчётно-теоретическое исследование ключевых процессов лазерного термоядерного синтеза, таких как поглощение лазерного излучения в различных условиях облучения, преобразование лазерного излучения в рентгеновское, генерация быстрых (надтепловых) заряженных частиц, генерация мощных ударных волн, развитие гидродинамических неустойчивостей; расчётно-теоретическое сопровождение экспериментов по взаимодействию мощного лазерного излучения с веществом, связанных с исследованием возможности зажигания и горения термоядерных мишеней при использовании различных подходов к инициации горения, изучением свойств веществ в экстремальных состояниях, моделированием процессов в астрофизических объектах и другие. В ходе выполнения основного проекта (2016-2018 гг.) была продемонстрирована эффективность использования разработанных программных комплексов для моделирования ряда явлений и процессов перечисленных выше задач. В предлагаемом проекте-продолжении эти программные комплексы будут использованы для детального исследования и решения наиболее актуальных задач лазерного термоядерного синтеза. В частности, в двумерной и трёхмерной постановке расчётов будет исследовано влияние пространственно-временной неоднородности нагрева мишеней при прямом облучении лазерными пучками и непрямом облучении рентгеновским импульсом для различных схем зажигания, таких как зажигание сфокусированной ударной волной и быстрое зажигание пучком лазерно-ускоренных быстрых электронов с целью установления особенностей горения неоднородно сжатых мишеней вблизи порога зажигания. Также в рамках данного направления работ будет исследована динамика роста соответствующих возмущений в сходящейся геометрии вследствие развития гидродинамических неустойчивостей. Впервые кинетический блок расчёта переноса энергии быстрыми электронами, разработанный на основе модели пространственной направленности потока быстрых электронов на поверхность сжимаемой части мишени, будет использован в расчётах сжатия и горения мишеней для установления значений коэффициентов усиления (отношения выделяющейся термоядерной энергии к энергии лазерного импульса) различных мишеней прямого облучения при искровом зажигании и зажигании сфокусированной ударной волной, а также для оптимизации конструкций мишеней с целью снижения негативного влияния прогрева термоядерного горючего быстрыми электронами. Впервые двумерные расчёты горения неоднородно сжатых мишеней будут включать расчёты переноса энергии быстрыми электронами, в том числе при протяжённом энергетическом спектре этих частиц. Программные комплексы, включающие разработанные и реализованные в ходе выполнения основного проекта модули поглощения лазерного излучения, планируется использовать для моделирования ударно-волновых экспериментов по исследованию уравнения состояния вещества при сверхвысоких давлениях. Расширенная и обновлённая база данных по свойствам веществ, сформированная в течение 2016-2018 годов, будет использована для моделирования имплозии мишеней непрямого облучения. Актуальность этого раздела работы обусловлена необходимостью сопоставления численных результатов с экспериментальными данными, получаемыми на установке NIF, что позволит провести верификацию используемых физико-математических моделей. Все планируемые исследования в первую очередь будут проведены для условий облучения мишеней на мегаджоульной установке российского проекта (РФЯЦ-ВНИИЭФ, энергия 2.6 МДж излучения второй гармоники Nd-лазера, 192 пучка, длительность импульса 10 нс). Содействие в развитии и успешной реализации программы инерциального термоядерного синтеза в нашей стране определяет особую актуальность исследований, которые запланированы по проекту.