“荧光-1”装置上反场构形的优化设计

相较于传统的惯性约束聚变及磁约束聚变,磁化靶聚变技术可能是一种实现纯聚变更低廉更有效的途径。针对中国工程物理研究院流体物理研究所设计的"荧光-1"实验装置,利用二维磁流体力学模拟程序MPF-2D,从理论上详细分析了各实验输入参数(如初始磁场、初始密度、主磁场等)对该装置上反场构形性质的影响。为即将进行的实验推荐了三组实验输入参数:初始磁场0.3T,初始密度7×1015 cm-3,磁镜场-2.0~-1.0T,主磁场-4.0~-3.0T。     

反场构形的传输过程

介于惯性约束聚变与磁约束聚变之间的磁化靶聚变技术, 可能是一种实现纯聚变更低廉更有效的途径. 磁化靶聚变一般分为三个过程: 形成过程、传输过程和内爆压缩过程. 利用二维磁流体力学模拟程序MPF-2D, 对反场构形的传输过程进行了理论研究. 结果显示, 反场构形在传输过程中必须外加适当的磁场, 使得其内外磁压平衡, 才能维持其拓扑结构并进行稳定的传输. 还对初始磁压、传输磁场以及线圈间隙对反场构形传输过程的影响进行了详细的分析.     

反场构形磁化等离子体的一种解析平衡模型

反场构形（FRC）预加热磁化等离子体是磁化靶聚变（MTF）中等离子体靶的主要形成方法之一。为了从物理机理及物理本质上更好地理解反场构形磁化等离子体的平衡状态,依据FRC等离子体的经典刚性转子（RR）模型,通过对平衡状态的解析求解,获得了等离子体各主要参数在平衡状态下的分布函数,并与标准二维磁流体力学（MHD）的数值模拟结果进行对比分析,在此基础上讨论了RR模型参数对平衡状态分布函数的影响。结果表明,在FRC等离子体分界线内部,RR解析模型可以较好地描述等离子体状态分布。     

"荧光-1"实验装置物理设计

本文主要介绍"荧光-1"实验装置物理参数设计, 并依据半经验公式预估在实验装置上可能达到的磁化等离子体状态参数. 理论设计结果表明: "荧光-1"实验装置最大放电电流1.5 MA, 四分之一周期3 μs, 最大反向磁场4 T; 以此为实验平台, 当θ箍缩线圈内充气压力50 mTorr(D₂气体)时, 形成的等离子体靶直径约为2 cm, 长度17 cm; 等离子体靶密度6.6×10¹⁶ cm^-3, 温度 (T_i+T_e) 约300 eV; 等离子体平均β值为0.95. 该状态参数接近磁化靶聚变所要求的等离子体靶初始状态参数. 关键词： 脉冲功率技术 反场构形 磁化等离子体 磁化靶聚变     

“荧光-1”实验装置研制与调试

荧光-1是一套分时放电的大电流脉冲功率实验装置,主要用于反场构形预加热磁化等离子体靶（FRC）形成的物理过程、高温高密度磁化等离子体约束特性等研究,未来可作为磁化靶聚变研究的等离子体注入器。主要介绍该实验装置的构成及其调试实验结果,并简要描述在该装置上开展的FRC等离子体靶初步物理实验进展。调试实验结果表明,荧光-1实验装置初始磁场、磁镜、气体电离、箍缩分系统的放电电流/磁场或感应电场可分别达到110 kA/0.3 T,10 kA/1.2 T,400 kA/0.25 kV/cm,1.7 MA/3.4 T。初步物理实验获得的FRC等离子体靶参数为:靶分界面半径约4 cm、等离子体密度3.51016 cm-3、等离子体温度约200 eV、靶寿命约3 s,同时清晰地观察到了FRC靶形成物理过程。分幅相机获取图像与二维磁流体程序计算图像基本吻合,验证了该装置的物理设计思路,也展示了该装置具备的物理实验能力。     

һ�ֵ�����������ʵ�����ݷ�������������Ӧ��

针对磁约束聚变等离子体边缘湍流中非线性能量传递过程的问题,开发了数据分析程序.该程序基于数字谱分析技术来求解波耦合方程,进而计算与三波相互作用相关联的线性和非线性耦合系数以及能量转移.介绍了算法设计和程序开发的主要思想,并对程序进行了仿真测试.然后应用该程序分析了反场箍缩装置实验的一次放电实验数据,观察到湍流之间的波耦合和能量级联现象,发现或证实了聚变等离子体湍流激发与增长的一种内在机制.     

托卡马克高约束运行模式和磁约束受控核聚变

磁约束受控核聚变是最终解决人类能源问题的有希望的途径之一.托卡马克的高约束运行模式可以大大降低下一代磁约束聚变实验装置和将来的聚变示范反应堆的规模和造价.文章简要介绍了托卡马克高约束模式的特征,实现条件及亟待研究解决的科学技术问题,包括触发高约束模式的物理机理,功率阈值与等离子体参数的关系等,以及在高约束运行模式下观察到的边缘局域模的驱动机制、控制或缓解技术等.     

首次全束组六通柱腔内爆物理实验

六通黑腔是我国独立自主设计的新型激光惯性约束聚变驱动腔型。在大型激光装置上采用全束组注入方式, 首次获得了新型六通黑腔10~20倍收缩比综合内爆完整配套实验数据, 实现最高YOC_2D (实验产额/二维模拟产额) 达80.4%的综合内爆性能。     

磁质子反冲谱仪磁分析系统的设计

磁质子反冲谱仪(MPR)是测量惯性约束聚变(ICF)实验和高功率聚变装置中子能谱的一种新型高性能诊断仪器,磁分析系统是其核心部分。通过2维束流输运和3维粒子输运模拟完成了紧凑型MPR谱仪磁分析系统的设计,对系统参数及系统性能进行了分析,分别根据能量分辨力、探测效率和计数率优先原则提出3种系统设计方案。结果表明:磁分析系统在1.5%~3.0%的能量分辨力范围达到10-5~10-4量级的探测效率,结构紧凑,符合MPR谱仪的设计目标。     

一种等离子体湍流实验数据分析程序的设计与应用

针对磁约束聚变等离子体边缘湍流中非线性能量传递过程的问题,开发了数据分析程序。该程序基于数字谱分析技术来求解波耦合方程,进而计算与三波相互作用相关联的线性和非线性耦合系数以及能量转移。介绍了算法设计和程序开发的主要思想,并对程序进行了仿真测试。然后应用该程序分析了反场箍缩装置实验的一次放电实验数据,观察到湍流之间的波耦合和能量级联现象,发现或证实了聚变等离子体湍流激发与增长的一种内在机制。     

夹断开关对“荧光-1”实验装置电流特性的影响

主要探讨了夹断开关对“荧光-1”实验装置输出电流特性的影响,利用Pspice软件对其在装置中起到的作用进行功能建模并分析其参数影响,同时开展初步调试实验并分析多组夹断开关导通性能及其同步性对负载电流的影响。仿真与实验结果表明:夹断开关可有效改善负载电流脉宽,可使脉宽从原有3 μs展宽至100 μs,其导通电阻与电感参数均能明显影响电流幅值与脉宽。由实验波形结合仿真可知,夹断开关实际导通电阻约4 mΩ, 两支路耦合电感分别约为60,125 nH,调试结果验证了夹断开关功能建模的正确性及其对脉宽展宽的有效性。     

反场构型等离子体靶压缩过程中强磁场对α粒子能量的约束效应

基于一维弹塑性磁流体力学程序（SSS-MHD）,研究了反场构型（FRC）等离子体靶在磁驱动固体套筒压缩过程中强磁场对α粒子能量约束效应,分析了α粒子的非局域和局域自加热对FRC等离子靶压缩峰值温度的影响,以及α粒子能量在整个压缩过程中端部损失效应。等离子体部分采用多温单流体的模型,能量的计算中引入了DT离子、电子及α粒子多成分温度的能量方程,同时考虑了等离子体压缩过程热平衡下的核反应和非局域自加热问题。研究结果表明,磁化靶聚变等离子体在压缩过程中具有较好的稳定性,能够保持刚性转子的靶结构,压缩过程形成的强磁场能够将α粒子的能量约束在O点附近的区域,有利于等离子体靶的点火及燃烧;α粒子对等离子体的自加热效应主要集中在等离子体电流中心区,而非等离子体中心轴处;α粒子对DT等离子体局域和非局域自加热过程存在差异,局域自加热过程的功率大于非局域自加热过程的功率,FRC等离子靶压缩峰值状态温度相差0.5倍。在反场构型的刮离层区,α粒子的能量端部损失在FRC等离子体靶的压缩和膨胀过程中逐渐增大。     

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。     

Dielectric Detector of Intense X-Ray Radiation Fluxes

Physics of Atomic Nuclei - The high sensitivity of traditional diagnostic methods hinders their application in inertial confinement fusion with the pulsed radiation power of target plasma being as...     

先进磁镜装置中径向电场对高能粒子的约束性能研究

本文运用Boris算法对紧凑型聚变反应装置(compact fusion reactor, CFR)中高能a粒子的运动轨道进行了数值模拟,分析了高能a粒子在不同径向电场作用下运动轨道的差异性;探究了不同径向电场对CFR装置中不同位置处a粒子约束性能的影响.研究结果表明,当正、负径向电场强度达到一定临界值时,都能够使高能a粒子很好地约束在CFR装置内部,但不同位置处径向电场强度临界值与a粒子初始条件有关.