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.     

Radiation characteristics and implosion dynamics of tungsten wire array Z-pinches on the YANG accelerator

We investigated the radiation characteristics and implosion dynamics of low-wire-number cylindrical tungsten wire array Z-pinches on the YANG accelerator with a peak current 0.8-1.1 MA and a rising time ～ 90 ns.The arrays are made up of(8-32)×5 μm wires 6/10 mm in diameter and 15 mm in height.The highest X-ray power obtained in the experiments was about 0.37 TW with the total radiation energy ～ 13 kJ and the energy conversion efficiency ～ 9%(24×5 μm wires,6 mm in diameter).Most of the X-ray emissions from tungsten Z-pinch plasmas were distributed in the spectral band of 100-600 eV,peaked at 250 and 375 eV.The dominant wavelengths of the wire ablation and the magneto-Rayleigh-Taylor instability were found and analyzed through measuring the time-gated self-emission and laser interferometric images.Through analyzing the implosion trajectories obtained by an optical streak camera,the run-in velocities of the Z-pinch plasmas at the end of the implosion phase were determined to be about(1.3-2.1)×10 7 cm/s.     

磁化套筒惯性聚变一维集成化数值模拟

磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion,MagLIF)结合了传统磁约束聚变和惯性约束聚变的优点,理论上可以显著地降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力.以研究MagLIF中的关键问题为目标,建立能够综合考虑磁化、预加热、套筒内爆、聚变反应、端面效应、磁通压缩等多种复杂机制在内的集成化物理模型,特别是通过引入流体喷射模型,使得可以在一维计算条件下考虑具有二维特性的端面损失情况,并额外考虑Nernst扩散项对磁通损失的影响.在此基础上编写实现一维集成化MagLIF数值模拟程序MIST(magnetic implosion simulation tools),与FP-1装置(2 MA,7.2μs)上铝套筒内爆实验结果的对比验证了程序磁流体模块的正确性;将聚变模块纳入后与国外同类程序LASNEX和HYDRA计算结果进行整体比较,所得数值结果总体接近,主要差异体现在燃料温度的计算上,对可能影响的原因进行了简要分析.所建立的集成化模型与程序将为未来开展MagLIF聚变实验研究提供坚实的理论基础和重要工具.     

聚龙一号装置准等熵压缩实验负载优化研究

准等熵压缩实验技术已用来研究材料在高压下的状态方程。基于聚龙一号装置平台,实现对样品的准等熵压缩和超高速飞片发射,进行了一系列实验来加深对负载构型的理解。通过对负载结构的设计,研究了构设电极尺寸与电极间隙对磁应力的大小与分布的影响。基于模拟和实验结果,带状线负载结构可以很好地提高磁压和提升装置的运行水平,其电极表面磁压分布也具有良好的均匀性和平面性。目前为止,已经可以用带状线负载在聚龙一号装置上获得峰值压力高达约100 GPa的准等熵压缩,并获得速度超过10 km/s的超高速飞片。     

基于聚龙一号装置的超高速飞片发射实验研究进展

磁驱动加载技术通过脉冲功率源将超大脉冲电流加载到实验负载区,从而形成随时间平滑上升的磁压力,实现对样品的准等熵压缩和超高速飞片发射.本文基于聚龙一号装置的输出特性参数,依次从负载结构、电极尺寸、电流波形和诊断系统等方面,分别设计完成了两种负载构型的超高速飞片发射实验.其中应用单侧带状负载发射尺寸Φ10 mm×0.725 mm的LY12铝飞片速度达到11.5 km/s,磁驱动加载压力近0.9 Mbar.比较模拟计算与实验结果,飞片发射过程和最终速度基本一致.而进一步的模拟计算表明,优化的负载结构尺寸和电流波形调节方案下,将有望发射尺寸Φ8.5 mm×1 mm的铝飞片速度超过15 km/s.从模拟设计到实验开展,已初步掌握了基于多支路脉冲功率发生器的超高速飞片发射实验技术.     

“阳”加速器磁驱动平面飞片实验和速度计算校验

脉冲功率驱动源作为磁驱动加载的重要手段,通过调整其电路参数可调节负载电流波形,实现对样品无冲击准等熵加载。在"阳"加速器上,开展了一系列轴对称结构和带状结构构型的磁驱动平面飞片发射实验,电极材料采用不锈钢和LY-12铝。实验中测量了进入负载的电流历史和电极后自由面速度历史,并通过时序控制将两者时间关联起来。本文以测量到的电流历史数据为基础,引入负载电流分布系数,并结合已知的LY-12铝的状态方程数据,计算电极后自由面速度历史和飞片速度历史。通过实验测量自由面速度历史校验负载各个位置的电流分布系数。另外,基于装置参数和实验数据确定了考虑负载电感变化的装置等效电路模型,形成了计算样品压力加载历史和电极后自由面速度历史估算程序。此外,初步分析不同厚度电极的自由面速度历史,获取了电极材料的准等熵加载波剖面信息,观察到一系列准等熵加载下材料动力学性能引起的物理现象。     

电作用量在磁驱动固体套筒内爆设计分析中的应用

磁驱动固体套筒内爆作为标准柱面冲击/准等熵汇聚压缩加载方式,在流体动力学、材料物性和聚变能源等领域具有广泛应用前景.在特定加载条件下,套筒飞层材料、半径和厚度的选择决定了套筒内爆力学行为,而电流烧蚀限制了所能选择的参数范围.通过薄壁套筒假定引入作为动力学参量的电作用量概念,利用不可压缩零维模型给出了低线电流密度下薄壁套筒尺寸优化设计方法和套筒飞层材料选择的原则;将修正后的电阻率-电作用量模型嵌入自编的一维弹塑性磁流体力学程序SOL1D进行模拟计算,分别与FP-1装置及ZR装置上的实验结果进行比对,表明在大径厚比和低线电流密度加载下,利用电作用量估算内爆速度及利用电爆炸丝实验获取的各阶段电作用量判断套筒物理状态是有效的.     

丝阵Z箍缩可见光辐射特性

在阳加速器上进行的Z箍缩实验中,利用快速硅光电二极管、多模光纤和石英滤片搭建了可见光探测系统,并利用该系统对丝阵Z箍缩等离子体内爆可见光辐射特性进行了研究。实验结果显示,可见光辐射在内爆开始时就已经存在,其波形与X射线辐射波形存在差异,在辐射波形的主峰前存在所谓的拐点。分析表明,在内爆滞止前,丝阵Z箍缩中单丝箍缩现象和预箍缩等离子体对可见光辐射贡献很大,而整体内爆开始时单丝附近的局域磁场消失是可见光辐射波形存在拐点的主要原因。     

10 MA多支路汇流装置上钽的强度实验研究

磁驱动准等熵加载技术通过电流产生的磁压力加载材料,加载路径由负载电流波形和负载结构决定。作为应变率介于静高压加载和冲击加载之间的新型实验技术,熵增小、温升低。10 MA装置是典型的多支路汇流装置,包括24个电流支路,可在较大范围内控制负载电流波形,实现mm厚、cm直径样品在不同应变率下的准等熵加载。基于10 MA装置,通过调节负载电流波形实现样品加载路径控制,在一定压力-应变率范围,开展金属钽的强度实验研究,获取了不同厚度金属钽样品的加-卸载波剖面速度历史,分析获得了钽在系列峰值压力下的强度数据,比较了多个加载平台不同加载路径下的强度数据,实验结果与美国圣地亚国家实验室的磁驱动准等熵结果接近（平均应变率都约为105 s?1）,明显高于冲击加载的流动强度,低于准静态加载获取的流动强度,与应变率增高强度会有所下降的理论预测一致。基于多支路汇流装置,未来将可开展更为丰富的材料动力学特性实验研究。