Z箍缩聚变及高能量密度应用研究进展

基于脉冲功率技术的Z箍缩过程可以实现驱动器电储能到X光辐射的高效率转换，形成极端温度、密度、压力条件，近年来在惯性约束聚变及高能量密度应用中取得了一系列重要进展。综述了国际上辐射间接驱动和磁直接驱动两条Z箍缩聚变技术路线发展现状，简要介绍了我国Z箍缩聚变尤其是7~8 MA脉冲功率装置上的动态黑腔研究进展；分别从辐射与物质相互作用、辐射不透明度、材料动态特性、实验室天体物理等方面，概述了Z箍缩应用于高能量密度物理研究的技术路线和主要成果。希望通过对Z箍缩聚变及高能量密度应用研究的论述和发展趋势分析，推动我国Z箍缩研究领域的进一步发展。     

Z箍缩丝阵负载区域的似稳态磁场分布

 将负载区域的电流（丝阵电流、阴极板电流、阳极板电流和回流柱电流）离散成电流线或电流面等电流微元,根据毕奥-萨伐尔定律,计算所有电流微元在指定场点的磁场,再通过叠加给出该点的总磁场。研究结果发现:在丝阵外围区域,仅由丝阵电流所产生的磁场偏离无限长直导线磁场公式的值,但全部电流所产生的总磁场与公式给出的值很接近。同时,研究了不同负载结构参数下的磁场分布,结果表明：增加丝根数有助于减小单根丝表面的局部磁场,改善丝阵外围磁场分布的均匀性。     

Effects of Dual-Electrode Biasing on Er in a Toroidal Plasma

Two externally biased electrodes were inserted into the plasma on the KT-5C tokamak to test the effects on modifying the radial electric field Er, other than single biasing. Using various combinations of biasing voltage,the influences of double biasing are compared with the single biasing. It turns out that the effect of dual-biasing is also effective as a single one, but the outer electrode seems to be shielded by the inner one and show less influence. The results clearly show that the radial electric field Er changed by external biasing is intrinsically an effect localized at the edge of the plasma, which is caused by the electrode induced radial current; and dualelectrode biasing using the method similar to the single biasing seems not to be able to increase more distinctly the peaking effect on Er than the single biasing.     

聚龙一号驱动Z箍缩负载内爆的简化电路模型

为方便描述聚龙一号装置与Z箍缩负载的电磁耦合过程,基于大量电参数实验数据和全电路模拟分析,建立了一个简化的集总电路模型,获得了等效电压波形和等效电阻、电感等集总参量。采用水介质三板输出线出口位置的开路电压作为等效电压,进一步拟合为正弦平方函数,峰值为3.3 MV（当前驱动器充压为65 kV）,零到峰值的时间长度为102.5ns。采用简化的流阻抗模型描述磁绝缘传输线内部空间电子流的电流损失效应。将电路程序与零维负载动力学程序耦合模拟,得到了与实验结果符合的负载电流波形,尤其电流波形的前沿和峰值符合较好,分析了电磁能转化为负载动能的过程。     

铝丝阵Z箍缩辐射产生机理初步研究

利用一维非平衡辐射磁流体力学程序研究了铝丝阵内爆过程中的能量转化规律和辐射产生机理.细致讨论了Z箍缩过程中脉冲功率驱动器电磁能馈入等离子体,等离子体动能转化为内能以及通过一系列原子过程电子内能转化为X射线辐射的能量转化机理.结合离子布居信息深入分析了Z箍缩过程中的辐射产生机理.结果表明,在内爆压缩阶段,电离和激发过程占优,线辐射占据总辐射的绝大部分.在滞止时,离子大都处于裸核离化度,连续谱辐射达到峰值.在滞止附近,线辐射出现两个峰值.在膨胀过程中,光电复合过程优于三体复合,线辐射占总辐射的份额逐渐下降.     

丝阵Z箍缩早期消融等离子体动力学的二维数值模拟研究

采用理想磁流体力学模型,给出合理的二维(r, θ)质量注入边界条件,对丝阵Z箍缩早期消融等离子体的动力学过程进行了二维(r, θ)数值模拟研究,得到消融等离子体各参量以及磁场的二维时空分布.模拟结果表明,消融等离子体的运动包括四个主要阶段:首先向轴漂移,然后在轴线处滞止并形成先驱等离子体柱,随后先驱等离子体柱被压缩,最后缓慢膨胀.计算了不同丝阵半径和丝间距情况下消融等离子体到轴速度以及消融质量占丝阵总质量的份额,它们的变化规律与实验结果基本符合.通过 关键词： 丝阵Z箍缩 理想磁流体 消融等离子体     

Scaling of rise time of drive current on development of magneto-Rayleigh–Taylor instabilities for single-shell Z-pinches

In fast Z-pinches,rise time of drive current plays an important role in development of magneto-Rayleigh–Taylor(MRT)instabilities.It is essential for applications of Z-pinch dynamic hohlraum(ZPDH),which could be used for driving inertial confinement fusion(ICF),to understand the scaling of rise time on MRTs.Therefore,a theoretical model for nonlinear development of MRTs is developed according to the numerical analysis.It is found from the model that the implosion distance L=r₀-r_mcdetermines the development of MRTs,where r₀is the initial radius and rmc is the position of the accelerating shell.The current rise timeτwould affect the MRT development because of its strong coupling with the r;.The amplitude of MRTs would increase with the rise time linearly if an implosion velocity is specified.The effects of the rise time on MRT,in addition,are studied by numerical simulation.The results are consistent with those of the theoretical model very well.Finally,the scaling of the rise time on amplitude of MRTs is obtained for a specified implosion velocity by the theoretical model and numerical simulations.     

聚龙一号主开关导通时刻对负载电流的影响

利用FCM-PTS程序与负载动力学程序耦合模拟研究了聚龙一号装置中主开关导通时刻对Z箍缩实验中负载电流峰值和上升时间的影响。结果表明,虽然聚龙一号装置上下支路三平板传输线的单向传输时间相差20 ns,但是当上下支路主开关导通时刻的时间差为22 ns时,负载电流的峰值最大,上升时间最短。将上下支路主开关导通时刻的时间差设置为20 ns和22 ns时,主开关导通时刻10 ns的抖动导致负载电流峰值损失最大值分别为163 kA和136 kA,上升时间最多分别延长2.4 ns和2.9 ns。     

"聚龙一号"4层绝缘堆和真空区电路模拟方法

建立了"聚龙一号"驱动器4层绝缘堆和真空区电路模型。在4层绝缘堆入口处,采用预测-校正的计算方法处理4层绝缘堆的输入电流分配问题,避免了复杂的二维电路模拟,既保证了精度,又大大提高了计算效率。将此新模型加入FCM-PTS程序中,与零维负载内爆动力学程序耦合,得到了各层外磁绝缘传输线的电流波形模拟结果,并改善了负载电流峰值的模拟结果与实验结果的一致性。     

脉冲功率驱动器与Z箍缩负载耦合的全电路数值模拟

为了研究电磁能量从脉冲功率驱动器到Z箍缩负载的传输与转化过程,采用电路模型描述驱动器关键部件的充放电过程,采用辐射磁流体模型描述负载的动力学过程并获取动态电感和动态电阻参数,建立了驱动器与负载耦合的全电路数值模拟程序.将该程序应用于"强光一号"装置,研究表明,模拟获得的驱动器电压波形、负载电流波形与实验结果符合较好,各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大.在典型的钨丝阵Z箍缩辐射源物理实验条件下,当初级储能电容器充电35 kV时,中储电容处的电磁功率(峰值)为0.23 TW,上升时间(10%—90%)为550 ns,形成线处的电磁功率为0.80 TW,上升时间为160 ns,水介质传输线末端的电磁功率为1.46 TW,上升时间为45 ns.负载电流为1.5 MA,产生的X射线辐射功率为0.58 TW.