This paper presents a novel approach for modeling liquid wall ablation in liquid wall-protected inertial fusion energy (IFE) chambers. These systems are promising candidates for the implementation of fusion technology, yet significant gaps remain in understanding the underlying physical processes and their implications for design. Following target ignition, a portion of the fusion energy is released as x-rays, which deposit their energy into an array of liquid jets, leading to partial vaporization. Accurately modeling this heat deposition and vaporization process remains challenging due to the complex geometries typical of (pre-conceptual) IFE chamber designs. Furthermore, the subsequent expansion of vaporized material into the chamber’s vacuum environment poses difficulties for conventional CFD methods based on continuum assumptions, which can lead to significant inaccuracies. To address some aspects of these challenges, this work introduces a ray-tracing-based methodology to map the spatial distribution of ablated material in liquid wall-protected systems. In addition, a vacuum-tracking scheme is developed to extend the applicability of an OpenFOAM-based solver to gas dynamics in rarefied environments. The proposed approach has been verified through numerical benchmarks and applied to a practical case involving the HYLIFE-II (High Yield Lithium Injection Fusion Energy) chamber. The methodology advances the modeling capabilities for liquid wall-protected IFE systems and provides valuable tools to support their design and optimization.
本論文は、液体壁保護型慣性核融合エネルギー(IFE)チャンバーにおける液体壁アブレーションのモデリングに対する新しいアプローチを提示する。これらのシステムは核融合技術の実装における有望な候補であるが、基礎となる物理プロセスとその設計への影響の理解には依然として大きなギャップが存在する。ターゲット点火後、核融合エネルギーの一部はX線として放出され、そのエネルギーが液体ジェットのアレイに堆積して部分的な蒸発を引き起こす。この熱堆積と蒸発プロセスを正確にモデル化することは、(前概念設計段階の)IFEチャンバー設計に典型的な複雑な形状のために依然として困難である。さらに、蒸発した物質のチャンバー内の真空環境へのその後の膨張は、連続体仮定に基づく従来のCFD法にとって困難をもたらし、重大な不正確さを引き起こす可能性がある。これらの課題のいくつかの側面に対処するため、本研究では、液体壁保護型システムにおけるアブレーションされた材料の空間分布をマッピングするためのレイトレーシングベースの方法論を導入する。さらに、OpenFOAMベースのソルバーの適用可能性を希薄環境下の気体力学に拡張するための真空追跡スキームを開発する。提案されたアプローチは数値ベンチマークを通じて検証され、HYLIFE-II(High Yield Lithium Injection Fusion Energy)チャンバーを対象とした実用的なケースに適用された。本方法論は、液体壁保護型IFEシステムのモデリング能力を前進させ、その設計と最適化を支援する貴重なツールを提供する。