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。     

小型整体径向传输线的设计与实验

设计了一个小型整体径向传输线并对其传输特性进行了实验研究。该传输线由两块相距1 cm的铝合金平板组成，其特征阻抗采用双曲线型。1个输出端口位于传输线中央，20个输入端口均匀分布在传输线的外圆周上，最多可供20路脉冲同时注入。此传输线浸没于去离子水中，其单向传输时间为15 ns。负载由20个154 的电阻并联而成，以保证输出端的阻抗匹配。实验测得的输出电压波形与3维电磁场仿真结果非常接近。此外，还通过实验研究了不同驱动脉冲路数情况下小型整体径向传输线的输出电压，发现在驱动脉冲路数较少的情况下，输出电压的幅值几乎正比于驱动脉冲的路数。     

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.     

同轴型变阻抗线传输特性的电磁场与电路仿真比较

利用CST微波工作室软件对新一代Z箍缩驱动装置中变阻抗传输线部分进行了三维电磁场仿真,建立了同轴型指数线模型,在外导体内半径保持100mm不变、输入端特性阻抗0.203Ω、输出端特性阻抗2.16Ω、输入角频率14×106 rad/s的半正弦脉冲TEM波的情况下,发现传输过程中会产生少量非TEM模,线的尺寸变化越剧烈,产生的非TEM模能量越多。在传输线足够长的情况下,电磁场仿真得到的电压传输效率与电路仿真结果相差不到1%,因此可以用电路仿真结果代替电磁场仿真。     

三平板传输线结构的解析分析方法北大核心CSCD

在考虑不等宽度三平板传输线的极板边缘效应和极板厚度的条件下,建立了单位长度电容、特性阻抗和各位置电场强度幅值的解析求解方法。该方法利用保角变换,将三平板传输线的不规则场边界变换为规则边界,所得结果是不带有任何近似的准确值。该方法计算结果与利用商业软件Ansoft进行模拟所得结果一致,证明该方法正确且可行。     

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。     

多路高电压纳秒矩形波脉冲发生器的研制

为满足脉冲功率实验中对多路高电压纳秒矩形波激励的需求,研制了一台21路高电压纳秒矩形波发生器。此发生器由一个单路高电压纳秒矩形波脉冲发生器和一个21路分路器组成。其中单路高电压纳秒矩形波脉冲发生器可输出幅值约1.07kV、半高宽约10ns、上升沿约1.45ns的矩形波脉冲。利用21路分路器可将该矩形波脉冲分为21路矩形波脉冲,测得每路脉冲幅值可达51V,半高宽约为10ns,上升沿约为2.25ns。     

7～8 MA条件下MagLIF集成实验关键问题理论研究与设计

针对国内7～8 MA脉冲功率装置驱动条件,通过耦合等效电路模型和McBride等人发展的半解析模型,研究了MagLIF总体能量学过程及中子产额随关键参数的变化规律,获得了中子产额大于1010的参数设计区间。结果表明:7～8 MA驱动条件、套筒材料、负载高度、燃料半径与密度、预热能量、外加轴向磁场等多因素共同决定了燃料的最终压缩状态;预热能量越大,燃料初始升温以及滞止时刻升温越高,中子产额越高;轴向磁场增加,热传导能量损失减小,但燃料收缩比也会减小,因此存在优化轴向磁场以获得较高中子产额;杂质质量分数超过10%,中子产额开始显著下降。燃料密度0.7 mg/cm3、外加轴向磁场27 T、预热能量200 J、杂质质量分数小于50%的条件下,可以获得3.5×1010中子产额,从而有望在7～8 MA条件下建立MagLIF关键问题研究平台。