5 MA 100 ns重频LTD驱动器设计

设计了用于Z箍缩丝阵实验的重频LTD驱动器, 含6路并联模组, 每组由8个0.8 MA原型模块串联组成, 全真空结构。原型模块采用全新的单路触发和电感隔离技术, 触发难度和重频运行可靠性得到显著优化。利用电路模拟程序对驱动器进行了仿真计算, 结果表明:在初始半径1.2 cm、线质量1 mg/cm的Z箍缩负载上, 驱动器的输出电流峰值可到5.2 MA, 前沿91 ns;负载内爆最大动能78 kJ, 从电容储能至负载动能的转化效率为11.7%。该驱动器预期将获得高达20%~30%的辐射能量效率, 可为Z箍缩物理研究提供高效的实验平台。     

Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆总体概念研究进展

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)在核安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境、气候问题的新能源。从Z箍缩驱动聚变方案与聚变靶设计、重复频率驱动器、次临界包层及产氚包层设计、燃料循环等关键问题方面,对Z-FFR工程概念总体研究情况进行了介绍。     

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆总体概念研究

中国工程物理研究院提出的Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)概念,采用Z箍缩热核聚变产生的大量中子驱动次临界裂变堆而释放能量,集成了"局部整体点火"聚变靶、"先进次临界能源堆"等创新概念,在安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境气候问题的千年能源。简要回顾了国内外Z箍缩聚变能源(Z-IFE)的相关研究进展,介绍了中国工程物理研究院在Z-FFR方向的总体概念研究情况,从驱动器、聚变靶设计和次临界裂变堆三方面阐述了此能源系统的原理结构和运行特点,对其经济性进行了评估,同时提出了未来Z-FFR的发展路线图设想。     

Z箍缩驱动器与丝阵负载耦合特性研究

以丝阵内爆零维模型为基础,采用Pspice模拟行为建模方法,建立了丝阵内爆动态电感与Z箍缩驱动器耦合的全电路模型,实现驱动器放电过程与丝阵内爆过程的自洽求解,并研究了丝阵参数、电路参数对内爆过程的影响.结果表明:丝阵负载与驱动器存在强耦合关系,丝阵参数、电路参数对丝阵峰值箍缩电流、内爆时间、内爆动能影响很大;在驱动器参数不变,内爆时间不超过电路固有放电周期1/4的前提下,峰值箍缩电流、内爆时间、内爆动能随丝阵质量的增加而增大,内爆时间随丝阵初始半径的增加而增大;在丝阵参数不变时,随着驱动器等效电容的增大,内爆时间减小,丝阵内爆动能增大,但驱动器储能转化为内爆动能的效率却先增大后减小.对于特定的驱动器,优化的丝阵参数应使内爆过程充分利用驱动器固有放电周期的上升沿,使丝阵快速收缩的时间起点接近电路固有放电周期的四分之一,以获得最大的动能效率. 关键词： Z箍缩驱动器 零维内爆模型 模拟行为建模 耦合特性     

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。     

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.     

Z箍缩等离子体MHD不稳定性的简化分析

在Haines的理论模型基础上,将金属丝阵负载Z箍缩内爆等离子体MRT不稳定性发展的全过程划分为四个部分加以描述,并利用ZP-0D程序定性分析了丝阵参数和驱动器条件对不稳定性的影响。研究结果表明,增加丝阵的丝根数,能够明显改善Z箍缩的稳定状态,有利于提高箍缩停滞时等离子体的温度、密度及X射线产额。     

PTS装置Z箍缩负载设计分析

介绍了PTS装置丝阵负载设计思路,用简化的薄壳模型(零维)和辐射磁流体力学模型(一维)数值模拟了丝阵Z箍缩内爆过程,给出了PTS丝阵负载设计参数,分析了初步优化结果,确定了优化选择的箍缩常数.经脉冲功率驱动器与负载优化匹配设计,PTS实验平台能够获得100TW量级的X射线功率,最佳插头能量转换效率10%.预计PTS实验平台的X射线输出能力基本达到Saturn装置长脉冲模式放电的水平.结果将为PTS开展Z箍缩研究提供有价值的参考. 关键词： PTS装置 Z箍缩丝阵负载 零维薄壳模型 一维辐射磁流体力学数值模拟     

快Z箍缩物理过程的PSPICE电路模拟方法分析

 简单介绍了快Z箍缩概念和物理过程，以及Z箍缩物理过程不稳定性因素和简单分析。用PSPICE电路模拟方法解薄壳模型得到了箍缩时间、等离子体壳的速度、负载上的电流、电压变化规律等Z箍缩物理量。     

完全稳定化MRT的可能性及应用于聚变的潜力

提出采用方向时变(旋转)的驱动磁场(交替Θ-Z箍缩构型)或者多级嵌套Θ-Z箍缩构型来抑制动态Z箍缩的MRT不稳定性的概念,介绍了对交替/嵌套Θ-Z箍缩MRT不稳定性的最新研究进展,结果表明适当优化的交替/嵌套Θ-Z箍缩的MRT不稳定性明显远低于标准Θ箍缩或者Z箍缩的,一定厚度时甚至被完全致稳,这表明交替/嵌套Θ-Z箍缩构型具有潜力应用于Θ-Z箍缩套筒惯性聚变。     

0.1 Hz 800 kA驱动源模块研制北大核心CSCD

介绍了面向Z箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)能源的重复频率800kA快上升沿的线性变压器驱动源(LTD)模块的设计和测试。LTD模块由34组RLC电路组成,每组包含2台100kV/40nF脉冲电容器、1个多间隙气体开关和非晶磁芯。研制的模块可以在匹配水电阻负载上以0.1 Hz的重复频率输出上升沿约100ns的800kA的电流脉冲。采用了一个高压触发信号来触发整个模块的新触发方式,将外触发信号通过模块内布置的角向传输线等网络同时到达并触发所有的高压开关,实验结果表明采用一路140kV、25ns前沿的触发脉冲可以可靠地触发整个模块。为了保证LTD模块每10s输出一个80kV/800kA的电流脉冲,非晶磁芯的去磁复位采用了一个5.2kA、脉宽30!s的电流脉冲,其运行频率为0.1 Hz。模块采用的多间隙气体开关运行寿命超过10 000次,其抖动小于3ns。     

国际快脉冲直线变压器驱动源技术研究进展

 快脉冲直线变压器驱动源（LTD）技术是近年来快速发展起来的一种新型脉冲功率技术。概述了近年来国际上快脉冲LTD技术的研究现状,介绍了快脉冲LTD在Z箍缩和闪光照相两个应用领域的发展,重点介绍了具有代表性的装置的概念设计及研究进展;对快脉冲LTD技术所涉及的开关、触发系统等关键技术进行评述,并在此基础上提出了进行快脉冲LTD技术研究需关注的重点问题及研究途径。     

Z箍缩驱动混合堆包层瞬态传热特性

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)以较长周期(10s)脉冲式运行,为实现3000 MW的热功率输出,单个脉冲需要产生的能量较大,包层和第一壁在强热冲击下的瞬态传热和温度特性是决定Z-FFR技术可行性的关键问题之一。通过理论计算,分析了在连续脉冲作用下包层和第一壁温度随时间的变化规律。同时以输出恒定的电功率为目标,提出了展平系统输出功率的简便方法,并分析了出口冷却剂温度的波动特性。结果表明材料最高温度均在安全限值内,第一壁表面瞬时高温层厚度约为0.5mm,系统输出功率波动幅度在-2.84%~+2.05%范围内。     

Z箍缩和闪光照相用快脉冲功率源技术的发展

 Z箍缩和闪光照相在惯性约束聚变（ICF）、核辐射效应和高性能爆轰流体动力学等研究中具有重要应用,Z箍缩ICF和多脉冲多角度高能脉冲X射线闪光照相对脉冲功率源提出了巨大挑战,国际上正在积极发展和探索可实现直接驱动Z箍缩和闪光照相二极管的快脉冲功率源新技术。综述了国际上近年来快Marx发生器（FMG）和快直线型变压器（FLTD）等脉冲功率源方面的发展动态,初步分析了两种技术途径的优缺点和制约性因素,以及需要开展的关键技术,介绍了西北核技术研究所的相关研究进展,最后提出了几点看法和建议。     

混合模式直线型变压器驱动源模块

在对Marx发生器和直线型变压器驱动源(LTD)电路拓扑结构及等效参数进行分析对比的基础上,结合两种电路拓扑结构的技术特点,提出了基于Marx基本回路的混合模式LTD模块构想。在混合模式LTD模块中,每个基本回路是一个多级的Marx发生器回路,回路中只有前一级或几级开关需要外部触发,而后级开关工作在自击穿模式。计算分析表明:混合模式LTD模块设计可以有效降低LTD系统对多路同步触发的要求;独立回路式结构可提高整个混合模式LTD模块的可维护性;回路间耦合触发的方式可提高整个混合模式LTD的工作可靠性。最后,还探讨了回路内阻、磁芯损耗及Marx发生器回路中后级自击穿开关抖动对混合模式LTD模块参数设计的影响。     

Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆氚燃料循环系统氚盘存量与氚自持初步分析

为研究氚自持条件,建立了Z-FFR氚分析模型,基于理论方程和氚平均滞留时间方法进行计算,得到稳态运行时排灰气处理系统、氚增殖提取系统、同位素分离系统、水去氚化系统的氚质量流分别为52.30,25.40,81.30,3.60 g/day,对应的氚盘存量为52.30,25.40,8.13,1.80 g。同时以氚质量流推导出氚自持判断条件,分析了设计参数能够满足氚自持要求,同时获得了燃烧效率、氚增殖率、提取效率与氚自持的互补关系,三者作为关键参数相互依存,于临界值、设计值、理想值之间分析了氚的自持情况。     

Z箍缩聚变裂变混合堆包层中子学分析

作为一种有竞争力的能源系统,Z箍缩聚变裂变混合堆(Z-FFR)正在开展概念研究,包层研究正是其中重要的一部分。建立了Z-FFR包层设计模型,分析了包层影响因素、中子平衡、通量与功率密度、燃耗等方面,表明该包层设计在50年内能量放大因子、氚增殖比和燃料增殖比的平均值分别为14.91,1.294和5.140,满足设计要求。针对聚变源的脉冲特性进行了包层的瞬态中子学分析,发现燃料区中子脉冲可分为聚变中子、瞬发裂变中子和缓发裂变中子脉冲三个部分,绝大部分热量约在0.01s内沉积。结果较完整地给出了Z-FFR包层的中子学参数,为概念研究提供了基础。     

Z箍缩直线变压器驱动源原型模块设计

介绍了用于Z箍缩驱动器的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)原型模块设计和初步实验结果。该模块采用32个子块并联,每个子块由两台100kV/100nF脉冲电容器和一只200kV多间隙气体开关串联组成。32只开关由4路高压脉冲分别触发。模块直径为2.9m,厚度约27cm。电路模拟结果表明,在±90kV充电电压下,输出电流幅值为1.0MA,电流上升时间(10%~90%)约118.6ns。初步实验结果表明,在约90mΩ近似匹配电阻负载上获得的电流为995kA,上升时间(10%~90%)为120.8ns,脉冲宽度约335.2ns。实验结果与电路模拟结果较为接近。