热核聚变装置“贝加尔”概念设计

贝加尔（Baikal）装置是当今世界上在建的最大的脉冲功率驱动热核聚变和高能量密度研究装置,从最初建造贝加尔装置概念的提出,其技术路线和主要参数经历了一系列的发展和演变过程。综合介绍了贝加尔装置概念设计提出的历史背景、发展演变过程和目前的研究进展,描述了贝加尔装置的主体性能和技术路线,着重分析了装置主要部件的结构和性能参数。     

感应电压叠加装置中角向传输线阻抗计算

在进行感应电压叠加装置设计时, 为了使初级脉冲形成与传输系统产生的快前沿高压脉冲均匀耦合到次级传输线, 需要建立感应腔的二维电路模型对电磁波在角向传输线中的传播过程进行分析, 并基于电路计算结果优化设计角向传输线阻抗分布规律,使次级传输线中电流能够均匀分布。由于角向传输线结构复杂, 没有精确求解阻抗值的解析公式, 介绍了一种基于电报方程和瞬态电磁场仿真求解复杂结构传输线阻抗值的方法, 采用该方法对等宽度和变化宽度两种结构角向传输线阻抗值进行了评估。研究结果表明,相比于三平板传输线阻抗计算公式, 采用微带传输线阻抗计算公式对角向传输线阻抗值进行求解结果更加精确。     

聚龙一号装置波形调节

在聚龙一号装置（PTS装置）上开展了系列波形调节实验, 成功在负载上输出脉冲上升时间达到600 ns、峰值电流大于5.0 MA的电流。聚龙一号装置在同步放电情况(短脉冲模式)下, 负载电流的上升时间约90 ns, 峰值电流约10.0 MA。波形调节通过装置24台激光触发气体开关分时放电、脉冲输出开关短接等技术调整, 实现负载上长上升时间的脉冲电流输出。波形调节根据需要实现的电流波形形状, 通过全电路模拟计算, 调整激光触发气体开关的触发时序和脉冲输出开关状态, 在相应负载上输出接近需求的实验波形。聚龙一号装置波形调节实验研究表明, 输出电流脉冲的前沿的最大值取决于24台激光触发气体开关最早触发时刻和最晚触发时刻的时间差, 该时间差受制于激光触发气体开关的正常触发。激光触发气体开关能否被正常触发, 除了取决于进入开关触发间隙的触发激光能量外, 还取决于开关充气压力和加载于开关两端的电位差, 该电位差与相关两路的渡越时间相关。通过波形调节研究, 聚龙一号装置具备在不同实验负载上输出不同上升时间、不同波形形状的脉冲电流的能力。     

感应电压叠加装置中角向传输线阻抗计算

在进行感应电压叠加装置设计时, 为了使初级脉冲形成与传输系统产生的快前沿高压脉冲均匀耦合到次级传输线, 需要建立感应腔的二维电路模型对电磁波在角向传输线中的传播过程进行分析, 并基于电路计算结果优化设计角向传输线阻抗分布规律,使次级传输线中电流能够均匀分布。由于角向传输线结构复杂, 没有精确求解阻抗值的解析公式, 介绍了一种基于电报方程和瞬态电磁场仿真求解复杂结构传输线阻抗值的方法, 采用该方法对等宽度和变化宽度两种结构角向传输线阻抗值进行了评估。研究结果表明,相比于三平板传输线阻抗计算公式, 采用微带传输线阻抗计算公式对角向传输线阻抗值进行求解结果更加精确。     

脉冲加载下锥角绝缘子的激光辐照沿面闪络性能北大核心CSCD

通过搭建脉冲加载下的激光辐照沿面闪络实验平台,考察了锥角绝缘子受激光辐照时的真空沿面闪络性能。结果表明:不论是紫外光(266nm)还是可见光(532nm)辐照在阴极三相点或者样品中间,+45°锥角绝缘子构型的性能都要优于-45°锥角绝缘子,并且紫外辐照阴极三相点对沿面闪络电压的影响较大,因此在大型脉冲功率装置中应该避免射线对绝缘堆阴极三相点处的辐照。     

100 GW快脉冲直线型变压器功率源

基于已经研制完成的100 kV/100 kA快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）原型模块,设计研制了输出电压/电流分别为1 MV/100 kA（功率为100 GW）的快脉冲LTD装置。装置由10级100 kV/100 kA快脉冲LTD模块串联而成,总储能为20 kJ,装置直径约1.5 m,长度约2.2 m。最终在85 kV充电电压下,二极管负载上获得的电流约为116 kA,电压约为1.1 MV,电压上升时间53 ns,电压脉宽146 ns,二极管阻抗约为9.4 。     

磁绝缘电压叠加器功率流的电路计算方法

以已建成的10级直线变压器驱动源系统为依托,以传输线计算方法为基础,通过引入空间电荷限制流和磁绝缘流阻抗模型,对感应电压叠加(IVA)真空功率流的电路计算方法进行了探索,开发了包含磁绝缘过程的全电路计算程序,提供了一种快速评估该IVA系统真空功率流的方法。计算结果表明:对磁绝缘状态下流阻抗的描述是该方法准确计算的关键;解决好算法的数值稳定性,避免数值振荡的发生,是将这一方法推广应用的重要前提。     

Z箍缩初级实验平台模块样机

 正在研制的Z箍缩实验装置（Z-pinch Primary Test Stand,PTS装置）,由24个基于Marx发生器和水线的性能、结构相同的模块组成,各模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区,要求在不到0.2 Ω的低阻抗负载上得到8 MA以上电流,电流上升时间小于90 ns。研制的样机模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,样机模块输出电流450 kA、输出电压2.2 MV、输出脉冲功率0.95 TW,从触发激光器信号输出到负载电压上升的系统延迟时间抖动小于6 ns。     

基于聚龙一号的钨丝阵Z箍缩内爆辐射特性

介绍了基于聚龙一号装置的Z箍缩诊断和实验布局, 分析了丝数132~300、丝直径5~10 m、丝阵直径13~30 mm的单/双层钨丝阵Z箍缩内爆动力学过程和软X射线辐射特性规律。研究表明, 钨丝阵等离子体的停滞时间与零维薄壳模型计算的停滞时间一致, 内爆轨迹存在偏离, 丝阵等离子体内爆开始前以丝烧蚀为主, 内爆开始时间约为总内爆时间的67%;随着负载质量和半径的增大, 负载电流、内爆停滞时间和X射线辐射脉冲半高宽也相应增加, X射线辐射峰值功率减小。双层钨丝阵的内爆均匀性和一致性优于单层丝阵, 其辐射峰值功率明显高于单层钨丝阵, 但单/双层钨丝阵辐射产额基本相当, 能量转换效率约为15%。此外, 还初步讨论了单层钨丝阵驱动的低密度泡沫动态黑腔辐射功率波形特征及其与纯钨丝阵内爆辐射的差异。     

变阻抗传输线能量传输效率分析

采用数值方法分析了阻抗各向同性、波速不变的变阻抗传输线（指数型、双曲型和线性型）的电压反射系数,得到了能量传输效率与归一化频率、阻抗变比之间的关系。结果表明,在低频条件下(归一化频率小于2),指数传输线的能量传输效率最高。计算了Z300装置变阻抗传输线的能量传输线效率,指数线为91.6%、双曲线为90.4%,圆锥线为91.2%。