【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于核聚变，具体为一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法。
技术介绍
1、惯性约束聚变(icf)是一种前沿的核聚变技术，通过高能激光或其他粒子束对小型燃料靶(通常是氢同位素)进行高速压缩和加热，以达到核聚变所需的极端条件。这一技术被视为未来清洁能源的有力候选者，因其理论上能提供几乎无限的能量，且放射性废物远低于现有的裂变反应堆。
2、nif的实验已经在多个方面提供了关键的物理洞见，证明了激光驱动icf聚变能量生成的可行性。然而，尽管取得了这些进展，icf技术的商业化应用仍面临多个技术挑战。转换效率与内爆对称性：一个主要的技术挑战是激光能到聚变能的转换效率极低，当前不到1％。这种低效率的根本原因之一是聚变目标的内爆过程中存在不对称性。目标内爆的对称性对于实现高效聚变至关重要，因为任何不对称都会导致能量沉积不均，从而影响聚变反应的效率和输出。激光等离子体不稳定性(lpis)：激光等离子体不稳定性(lpis)是导致内爆不对称的关键物理现象之一。当激光在聚变目标的等离子体中传播时，由于等离子体的不均匀性，会引起激光能量的非均匀沉积。lpis包括刺激拉曼散射(srs)、刺激布里渊散射(sbs)和两流不稳定性等，这些不稳定性可以显著改变激光与物质相互作用的动力学，从而影响内爆效果和聚变效率。高性能模拟工具的开发：针对lpis的研究和管理，尤其在高能量、大尺度的icf实验中显得尤为重要。传统的模拟工具在处理这些大规模、高复杂性的物理场景时，计算成本极高，难以满足实时或准实时的分析需求。因此，开发能够有效模拟lpis并优化内
3、目前现有技术包括：1.激光系统和能量传递：
4、在icf系统中，高能激光是通过聚焦到一个非常小的目标上以引发聚变的主要工具。现有技术中的激光系统主要包括：多波束激光系统：例如美国国家点火装置(nif)使用的192束激光，这些激光可以精确聚焦并均匀照射到小型聚变目标上，从而尝试达到高足够的压缩和温度以引发核聚变。激光束质量控制：采用波前传感和校正技术来优化激光束的聚焦质量和能量传递效率。
5、2.聚变目标设计：
6、聚变目标的设计对实现有效的内爆和能量增益至关重要：多层球形靶：通常由一个或多个重氢和氚层构成，外包裹有辅助层(如铅或金属泡沫)以增强内爆的对称性和压缩效率。低密度填充材料：使用低密度材料如气体或泡沫，以减少初始目标的质量，改善热绝缘性，从而提高内爆效率。
7、3.内爆对称性与稳定性：
8、内爆对称性是实现高效能量输出的关键因素，现有技术包括：x射线斑点诊断技术：用于实时监控内爆过程中的对称性和密度分布，确保内爆过程的均匀性。施加外部磁场：利用磁场控制内爆动态，尝试增强聚变燃料的约束和稳定性。
9、4.能量捕获与转换效率：
10、提高从聚变反应中捕获能量的效率是另一个研究重点：直接转换技术：研究如何直接将聚变产生的高能粒子(如中子和α粒子)转换为电能，以提高总体能量转换效率。热电转换系统：开发和优化用于将聚变反应产生的热量转换为电能的高效热电设备。5.计算模拟与优化，随着计算技术的进步，大规模数值模拟成为设计和优化icf实验的重要工具：多物理场模拟软件：整合流体动力学、等离子体物理、核物理等复杂物理过程的高精度模拟，以指导实验设计并预测实验结果。机器学习和人工智能：利用ai技术优化实验参数，快速迭代改进实验设计。
11、上述现有技术存在以下不足：
12、低能量转换效率：目前，在icf实验中，电能到激光能量的转换效率极低(不到1％)，这显著限制了聚变反应的总能量输出。这种低效率导致了巨大的能量浪费，增加了聚变能源产生的经济成本。
13、内爆不对称性：icf过程中目标的对称压缩是实现高效能量产出的关键。现有技术中，内爆往往受到不对称性的影响，导致聚变效率不理想。不对称的内爆会使得燃料密度和温度达不到理想状态，从而影响聚变反应的顺利进行。
14、激光等离子体不稳定性(lpis)问题：在icf实验中，激光与等离子体相互作用时产生的不稳定性会导致激光能量沉积不均，这直接影响到内爆的对称性和效率。现有的模拟工具在描述这种复杂动态过程时计算成本高且效率低。
15、高性能计算需求：现有的模拟技术需要极高的计算资源和时间，这在很大程度上限制了icf实验的设计和优化的迭代速度，从而影响了整个研发进程的效率和成本。
16、实验数据的实时分析与反馈：在现有技术中，对实验过程中产生的大量数据进行实时处理和分析存在较大挑战，这限制了从实验结果中快速获取反馈并据此调整实验参数的能力。
17、为此解决上述问题，提出一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，包括以下步骤：
2、s1：通过结合经典理论和先进的计算模型开发二维pm2d代码模型，通过开发的二维pm2d代码模型实现激光等离子体不稳定性分布的模拟；
3、所述二维pm2d代码模型包括：波动方程、动量方程和泊松方程；
4、所述波动方程用于描述激光传播和捕捉不稳定性；
5、所述动量方程用于描述粒子运动、模拟粒子相互作用；
6、所述泊松方程用于计算电场、影响粒子运动和平衡电荷分布
7、s2：通过确定模拟区域的尺寸和分辨率，将模拟区域划分为二维网格，设置网格点数和每个网格的大小；
8、定义模拟区域和网格划分后，对等离子体和激光场进行初始化设置：
9、其中，等离子体的初始化设置包括设置初始的等离子体密度分布、温度和速度分布；
10、而激光场的设置初始，则是对其的强度和传播方向进行初始化设置；
11、完成等离子体和激光场进行初始化设置后在进行宏粒子分配；在模拟区域内分配宏粒子，根据初始的等离子体密度和温度设置宏粒子的初始位置和速度；
12、s3：激光等离子体与pm2d代码模型之间产生相互过程，所述相互过程包括计算激光场的传播、计算等离子体粒子的运动、更新场和粒子之间的相互作用。
13、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
14、本专利技术专利能够自洽地描述lpis的动力学效应，并且通过异构并行计算技术显著降低了计算成本；通过提出的基于粒子网格(pm)方法的二维pm2d代码利用gpu加速并通过mpi实现高效并行处理，使得在点火相关尺度下的lpis模拟成为可能，大大提高了模拟速度和准确性；可以实现更高效、更精确的lpi模拟，为理解和控制激光驱动的icf过程提供了强大的工具；此外，通过减少所需的计算资源和提高模拟速度，本专利还降低了研究成本，加快了实验迭代速度，对于未来icf技术的商业化和实用化具有重要意义。
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1.一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，其特征在于，在波动方程中的描述激光传播，通过使用波动方程模拟激光在等离子体中的传播过程，并通过求解波动方程，得到激光在等离子体中的传播路径和强度分布，通过使用波动方程求解激光场在等离子体中的传播，采用快速傅里叶变换FFT将数据从空间域转换到频率域；
3.根据权利要求1所述的一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，其特征在于，在动量方程中的描述粒子运动，是通过动量方程模拟等离子体中电子和离子的运动，通过求解动量方程，得到粒子的速度和加速度分布；
4.根据权利要求1所述的一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，其特征在于，所述波动方程考虑了入射激光和由等离子体波散射产生的激光，入射激光束的偏振面分为与仿真平面平行的偏振面和与仿真平面正交的偏振面，在偏振条件下，激光束以相对于默认传播方向的非零角度注入时，该方向上存在矢量势分量，为了模拟激光束的偏振以及斜入射，会同时考虑和三个方向的激光束传播；
5.根据权利要求4
6.根据权利要求1所述的一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，其特征在于，所述波动方程，包括：
7.根据权利要求1所述的一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，其特征在于，所述动量方程，包括：
8.根据权利要求1所述的一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，其特征在于，所述泊松方程，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，其特征在于，在波动方程中的描述激光传播，通过使用波动方程模拟激光在等离子体中的传播过程，并通过求解波动方程，得到激光在等离子体中的传播路径和强度分布，通过使用波动方程求解激光场在等离子体中的传播，采用快速傅里叶变换fft将数据从空间域转换到频率域；
3.根据权利要求1所述的一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，其特征在于，在动量方程中的描述粒子运动，是通过动量方程模拟等离子体中电子和离子的运动，通过求解动量方程，得到粒子的速度和加速度分布；
4.根据权利要求1所述的一种激光等离子体不稳定性分布模拟方法，其特征在于，所述波动方程考虑了入射激光和由等离子体波...
【专利技术属性】
技术研发人员：应文俊，谭力玮，马行行，吴可，
申请(专利权)人：沪渝人工智能研究院，
类型：发明
国别省市：
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