FP-1装置铝套筒内爆动力学过程的一维磁流体力学模拟

作为一种重要的柱面会聚冲击和准等熵压缩加载源,磁驱动固体套筒内爆技术已广泛应用于高能量密度物理实验研究.针对FP-1装置驱动的固体套筒内爆动力学过程,建立了含强度的一维磁流体力学模型,并对典型实验进行了模拟.计算获得的套筒内爆速度同实验结果较为相符.模拟结果显示,该装置在40 kV充压条件下,可以将直径3 cm,厚0.5 mm的铝套筒加速至1.1 km/s,内壁速度超过1.5 km/s,同时保持大部分材料为固体状态.内爆套筒与相同材料靶筒碰撞产生的冲击压力约9 GPa.改变靶筒内部填充气体的压力,可以获得不同的靶筒运动速度、轨迹以及反弹半径,以满足不同类型实验的研究需要.     

电流脉冲前沿对电磁驱动固体套筒内爆的影响

固体套筒内爆是采用实验方法研究高能量密度状态下的材料力学性能的重要加载手段之一,国内已经建立起若干开展电磁内爆研究的驱动器。从电流脉冲前沿对固体套筒内爆性能影响的角度进行分析,为如何选择现有的实验装置开展固体套筒内爆实验研究提供依据。采用不可压缩零维模型进行计算,获得了套筒内爆速度受套筒尺寸、电流幅值以及电流脉冲前沿的影响情况。计算结果表明,开展固体套筒内爆的实验研究应选择电流脉冲前沿大于2 s的装置,这也为未来设计驱动能力更强的固体套筒内爆实验装置奠定了基础。     

柱面内爆磁通量压缩超高速摄影技术研究

炸药柱面内爆磁通量压缩实验技术具有加载压力高、加载过程温升低及样品体积大等特点,在材料高压物性、新材料高压合成及超强磁场下的凝聚态物理等多个领域都具有广阔的应用前景。叙述了超高速摄影技术在柱面内爆磁能量压缩实验中的研究应用,用超高速分幅摄影和扫描摄影技术首次拍摄到柱面内爆强磁场压缩过程具有高时空分辨的一维和二维图像,成功观察到柱面套筒内爆整个压缩和反弹过程以及压缩过程中的界面不稳定性现象,获得了该过程的压缩直径随时间连续变化曲线,由此计算出柱面套筒内爆强磁场压缩速度。该实验数据对于炸药柱面内爆磁通量压缩实验技术研究具有重要的指导意义。     

基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展

基于脉冲功率技术的箍缩装置能够在cm空间尺度和百ns时间尺度产生极端的高温、高压、高密度以及强辐射环境。中物院流体物理研究所在已建成的10 MA级的大型箍缩装置上开展多种负载构型的高能量密度物理实验研究。利用Z箍缩动态黑腔创造出了惯性约束聚变研究所需的高温辐射场;研究了金属箔套筒和固体套筒的内爆动力学特性;利用中低Z材料内爆获得了可观的K壳层线辐射并用于X射线热-力学效应实验研究;磁驱动准等熵加载和冲击加载为材料动态特性研究提供了新的实验能力;采用环形二极管和反射三极管技术的轫致辐射源获得了高剂量（率）的X射线和γ射线;利用磁驱动的径向金属箔模拟了天体物理中恒星射流的形成及其辐射的产生。此外,还介绍了利用反场构型磁化靶聚变装置开展的预加热磁化等离子体靶形成等实验结果。     

炸药柱面内爆磁通量压缩实验技术研究

炸药柱面内爆磁通量压缩实验技术 (MC-1) 是一种原理独特的高能量密度实验技术, 它是利用炸药内爆驱动金属套筒压缩其内部磁通量从而实现超高磁场, 利用超高磁场可以对其内部的样品实现等熵压缩. 由于这项技术具有超高磁场、等熵加载等特点, 在材料高压物性、新材料高压合成、及超强磁场下的凝聚态物理等多个领域都具有广阔的应用前景. 2011年, 中物院流体物理研究所在国内率先开展了这一方面的实验研究工作, 研制成功了单级MC-1实验装置, 观测到了MC-1实验的典型实验特征, 获得了超过430T的动态超强磁场. 数值分析表明, 利用这项技术可以实现对材料的等熵压缩. 这项技术的研究对于我国未来开展极端条件下的凝聚态物理研究具有积极的意义. 关键词： 柱面内爆 磁通量压缩 等熵压缩 超强磁场     

柱面内爆磁通量压缩实验中的磁扩散过程

利用一维磁流体力学程序MC11D,对套筒材料为不锈钢的柱面内爆磁通量压缩实验进行了数值模拟,研究了其中的磁扩散过程。计算结果表明:当套筒空腔中的磁场被压缩到350 T左右时,峭面磁扩散波开始形成,磁扩散波的波前从套筒内壁开始以0.75 km/s的平均速度向外快速推进,给磁场的压缩带来了不利影响;随着套筒内壁温度迅速升高,内壁附近会形成一个电阻率仅有0.3 mcm左右的等离子体保护层,又极大地减缓了空腔磁场向套筒中扩散的速度。在磁压缩过程中,峭面磁扩散波和等离子体层对于空腔磁场的扩散起着相反的作用,两者在发展的过程中相互竞争,在不同的阶段分别起着主导作用。     

内爆圆柱套筒磁通量压缩的磁流体力学计算

在一维反应流体动力学程序SSS的基础上扩充编制一维磁流体力学计算编码SSS/MHD,并对炸药内爆驱动的圆柱形套筒磁通量聚积发生器(MC-1装置)进行了一维磁流体力学模拟计算。分析了空腔磁场向压缩套筒和样品套筒壁中的磁扩散现象,结果表明,在压缩套筒壁中距离空腔0.2mm处的磁感应强度最大值只有十几T;而在样品套筒壁中距离空腔0.2mm处的磁感应强度最大值达到几百T,这主要是内外套筒运动速度不同,电磁力与内爆作用力平衡引起的。计算了空腔中磁感应强度的变化曲线和样品套筒内壁的速度历程曲线,得到与实验测试符合的结果。     

电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究

在已有的众多准等熵加载技术中,磁驱动准等熵加载技术具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点。利用中物院流体物理研究所建成的磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5(最高加载压力为50GPa),成功开展了45钢的准等熵压缩实验,对装置的主要参数进行了介绍;利用激光干涉测试系统DPS获得了45钢飞片的自由面速度历史,通过反积分处理给出了材料准等熵压缩的p-V关系。通过分析实验数据,获得了45钢3种形式的等熵方程的参数。实验获得的最高等熵压力为47.5GPa。     

爆轰驱动固体套筒压缩磁场计算及准等熵过程分析

采用构形磁流体力学计算程序SSS/MHD对炸药爆轰驱动固体套筒压缩磁场实验进行了一维磁流体力学模拟计算, 得到空腔磁场以及样品管内壁速度随时间的变化历程, 分别与磁探针和激光干涉测量的实验结果符合. 由分幅照相结果阐述了套筒压缩空腔磁场过程中的屈曲失稳和Bell-Plesset不稳定性现象. 分析了样品管和套筒中的磁扩散、涡流和磁压力的变化规律. 结果表明, 由于聚心运动下样品管和套筒的运动速度不同、电磁力和内爆作用力平衡等原因, 样品管内靠近磁腔处的磁场、涡流和磁压力均高于套筒内距磁腔相同位置处的结果. 讨论了样品管内距磁腔0.05 mm处的熵增随该点压缩度的变化, 最大熵增与样品管材料定容比热的比值在10%左右, 爆炸磁压缩实验过程的等熵程度较高.     

材料强度对电磁驱动固体套筒内爆过程的影响

电磁驱动柱形固体套筒内爆加载技术是高能量密度物理实验研究的重要加载方式。由于固体金属具有一定的结合强度, 需外加载荷达到特定阈值才会发生塑性流动, 且在内爆过程中塑性做功会耗散部分电磁力做功而变成金属材料的内能, 进而对固体套筒的内爆过程产生影响。通过弹塑性力学平面轴对称问题的解, 给出了套筒发生塑性流动时外加电流（即屈服电流）与套筒参数的关系。利用考虑材料强度的零维不可压缩模型对铝套筒的内爆过程进行模拟, 并分别与简单零维模型和实验数据进行对比, 结果发现当电流峰值远大于（20倍于）屈服电流时, 金属材料强度的影响甚微;而当峰值电流只数倍于屈服电流时, 金属材料强度的影响便不能忽略。     

基于纯冲击波聚心的准一维氘氘内爆物理实验

在神光Ⅲ原型装置上利用八路6400J/1ns激光注入1100μm×1850μm的黑腔内产生210eV的高温辐射场,均匀辐照填充氘氘燃料的靶丸实现内爆。实验中选择高气压薄壳靶丸实现纯冲击波聚心内爆。通过闪烁体探测器、中子条纹相机等多套诊断设备获取了中子产额、聚变反应时刻等关键内爆参数。结合一维数值模拟表明,实验测量的中子产额与干净一维数值模拟计算的中子产额之比达到90%;同时通过人为破坏内爆对称性等方式表明,该设计下内爆中子产生机制集中于冲击波聚心,其内爆性能受到高维因素影响极低,从而实现了准一维内爆。     

准球形电磁内爆动力学研究及能量定标关系浅析

通过改变Z箍缩负载的初始形状和/或质量密度分布,可以实现等离子体的准球形聚心内爆.同柱形箍缩相比,准球形电磁内爆可以将内爆动能集中加载至负载中心较小的空间区域内,获得更高的能量密度,从而在驱动Z箍缩动态黑腔实现聚变点火方面具有潜在优势.准球形电磁内爆的负载和电极结构比柱形Z箍缩更复杂,球面收缩的几何特点使其内爆动力学过程和能量定标关系显著区别于柱形内爆.本文利用解析的薄壳模型推导并分析了理想条件下准球形电磁内爆的动力学行为和能量定标关系,并同二维磁流体力学模拟结果进行了比较.与柱形Z箍缩内爆相比,准球形电磁内爆的动能不仅与驱动电流有关,而且敏感地依赖于负载的初始尺寸.在不显著降低驱动电流和内爆品质的前提下,适当增加负载的初始半径和最大纬度,有利于获得更多的内爆动能和能量加载密度.     

A simple analytical model of laser direct-drive thin shell target implosion

A high-neutron yield platform imploded by a thin shell target is generally built to probe nuclear science problems, and it has the advantages of high neutron yield, ultrashort fusion time, micro fusion zone, isotropic and monoenergetic neutron. Some analytical models have been proposed to interpret exploding-pusher target implosion driven by a long wavelength laser, whereas they are imperfect for a 0.35 μm laser implosion experiment. When using the 0.35 μm laser, the shell is ablated and accelerated to high implosion velocity governed by Newton's law, ablation acceleration and quasi-adiabatic compression models are suitable to explain the implosion of a laser direct-drive thin shell target. The new analytical model scales bang time, ion temperature and neutron yield for large variations in laser power, target radius, shell thickness, and fuel pressure. The predicted results of the analytical model are in agreement with experimental data on the Shenguang-III prototype laser facility, 100 kJ laser facility, Omega, and NIF, it demonstrates that the analytical model benefits the understanding of experiment performance and optimizing the target design of high neutron yield implosion.     

高能密度物理实验装置FP-1及其应用

 综述了由高能密度物理装置FP-1驱动的固体套筒内爆研究情况。主要内容包括FP-1脉冲功率装置的特性和所进行的主要物理实验：铝套筒内爆、双套筒碰撞和微喷射、套筒的内爆脉冲屈曲等，给出了各类实验的典型结果。     

点火靶驱动不对称性与表面粗糙度的模耦合模拟

使用二维辐射多群扩散流体力学程序LARED-S对点火靶内爆进行大规模数值模拟,同时考虑低阶辐射驱动不对称性和中高阶的表面粗糙度.计算结果表明：靶丸内爆流场不仅出现严重的低阶模面密度扰动,同时生成大幅度的尖钉与气泡结构;呈现明显的扰动模耦合效应,模耦合生成的扰动增长幅度与理论公式在一定时间内较好地吻合.在内爆减速阶段,扰动增长发展到强非线性阶段,模耦合效应使得扰动频谱分布变宽;同时芯部的涡流使得靶壳的尖钉弯曲,内爆流场出现明显的湍流混合现象.模耦合效应与湍流混合极大地降低了内爆性能,导致点火失败.     

圆盘型发生器驱动固体套筒内爆的数值模拟

根据电爆炸箔断路开关的简化数值模型和不可压缩固体套筒的零维模型,利用Matlab编写了用于模拟圆盘型发生器驱动固体套筒内爆的一体化程序D-Liner,对圆盘型发生器、电爆炸箔断路开关、固体套筒内爆的耦合过程进行了数值模拟,分析了电爆炸断路开关工作电压、套筒半径、套筒速度的变化过程以及电爆炸断路开关对发生器电流波形的影响,并对套筒参数进行了优化设计。计算结果表明,以直径400 mm的十单元圆盘型发生器为驱动源,采用长度72 cm、厚度120 m的铜箔作为脉冲锐化开关,当初始电流为5.9 MA时,圆盘型发生器能够获得35 MA的脉冲大电流,电爆炸箔断路开关在击穿与之并联的间隙开关之后可以在固体套筒上产生230 kV的高电压和31 MA、特征上升时间1.6 s的脉冲大电流,能够把50 g柱形铝套筒加速到13.7 km/s。     

辐射驱动内爆流线实验测量

内爆速度的测量是惯性约束聚变研究中的核心问题, 是判断聚变点火反应的关键物理量. 在神光II激光装置上, 利用KB显微镜配合时间分辨为10 ps的条纹相机, 对1600 J激光能量注入, 3倍频, 脉宽为1 ns黑腔辐射驱动CH靶球, 获得了清晰的辐射驱动内爆流线轨迹X射线图像. 通过流线轨迹图像给出了最大内爆速度为160 km/s. 利用Multi1D程序对内爆压缩流线和壳层速度变化进行了模拟, 实验数据和理论模拟较符合.