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。     

脉冲驱动磁化等离子体内爆升温点火的数值模拟北大核心CSCD

通过建立物理模型,用一维三温拉氏磁流体力学程序分析了由强电流(MA)脉冲驱动的金属套筒内爆压缩磁化等离子体的升温点火及能量增益过程。分析了脉冲驱动的金属套筒内爆、不同驱动源对金属套筒内爆升温的影响、Z箍缩过程中内嵌磁场和预加热温度对磁化等离子体升温的影响,以及点火需要的初态参数和点火后的能量输出。此外,对该过程中磁场增加α粒子能量沉积、降低电子离子热传导能量损失的物理机制做了介绍和分析。磁流体数值模拟结果显示:当初始的内嵌磁场和燃料的预加热温度分别取5T和250eV时,即可获得超过4keV的升温,初始参数包括内嵌磁场、预加热温度、燃料密度、套筒尺度、驱动脉冲幅值、加载时间等。在一定的条件下,点火成功,可产生kT量级的强磁场,并获得百kJ/mm量级的能量输出。     

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。     

炸药柱面内爆磁通量压缩超高速同时分幅/扫描摄影技术

叙述了超高速同时分幅/扫描摄影技术在柱面内爆磁能量压缩实验中的研究应用,用自研的国内首台同时分幅/扫描超高速光电摄影系统,拍摄到柱面内爆强磁场压缩过程同一时基、同一空基且具有超高时空分辨的一维和二维清晰图像。成功观察到柱面套筒内爆整个压缩过程,获得了该过程直径随时间变化曲线及压缩速度。实验结果表明,柱面套筒内爆强磁场压缩过程中存在界面不稳定性和不对称性现象,整个过程压缩时间8~10μs,压缩速度3.8~4.5km/s。     

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.     

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。     

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。     

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     

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.     

轴线起爆螺旋型爆磁压缩发生器2维简化模型

 应用Maxwell 方程，建立了轴线起爆螺旋型爆磁压缩发生器(AMFCG)的2维简化理论计算模型。利用此模型，得出了AMFCG中简易磁通表达式,并将等效电路方程与磁通表示结合起来。选用3组不同的几何参数，模拟计算了金属爆炸管在爆轰驱动下的径向膨胀过程，给出AMFCG初始电感、输出电流随时间的变化过程，AMFCG内部磁压、爆轰压及磁场随时间的变化情况。     

磁化套筒惯性聚变中轴向磁场演化特征与Nernst效应影响

轴向磁场是磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion, MagLIF)有别于其他惯性约束聚变构型的主要标志之一.本文在建立集成化物理模型并编写一维模拟程序的基础上,通过对ZR装置驱动能力下典型MagLIF负载参数的模拟,系统研究并获得MagLIF各个阶段轴向磁场演化与分布特征,发现预加热引起的压力不平衡导致燃料中磁通保有量并未呈现随时间单调递减的关系,而是反复震荡甚至出现局部短时间内反而增加的演化曲线.通过在磁场演化方程中引入控制项来讨论Nernst效应的影响,计算结果表明随着初始磁场强度降低(30, 20, 10 T), Nernst效应越发明显,磁通损失增大(28%, 44%, 73%), a粒子能量沉积比例则大幅降低(44%, 27%, 4%),因此初始磁场强度不宜太低;预加热结束后应使燃料中温度径向分布尽量均匀、平缓,有助于减少Nernst效应的影响.所取得的研究结果有助于加深对MagLIF中磁通压缩和磁扩散过程的物理图像认知和理解,对未来实验负载参数设计也有重要的指导作用.     

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.     

预加热效果对磁化套筒惯性聚变放能影响的模拟研究

得益于预加热和轴向磁场的作用,理论上磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型能有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力。然而,当前研究过于重视对激光能量沉积效率的提升,而忽略了预加热自身参数对MagLIF过程和内爆结果的影响。为此,采用一维集成化数值模拟程序MIST,开展了MagLIF过程中预加热效果对聚变放能影响的模拟研究,基于参数扫描方法,从简单的模型着手,逐步深入探讨相关参数对内爆结果的影响。模拟结果表明:预加热是MagLIF构型能够成功的必要条件,最佳时间是套筒即将开始向内压缩燃料的时刻;燃料预加热的设计原则是让燃料获得尽可能平缓分布的高温,而中心局部加热方式对于未能达到点火条件的负载更有优势;激光预加热模式下,脉宽越短越好,对于以ZR装置驱动能力为目标的算例而言,最佳套筒高度为1.0 cm。研究结果有助于加深对MagLIF过程中预加热机制和效果的认知和理解,对于具体的负载参数设计也有较强的指导意义。     

神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量

间接驱动惯性约束聚变研究中,获得高内爆速度是实现点火,提升聚变增益的关键。通过对内爆烧蚀压缩过程的测量,能够获得内爆速度和剩余质量等内爆动力学重要的物理量,实现烧蚀层材料、厚度以及激光波形等参数的优化。近几年在神光系列装置上,演示了常规的应用狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量技术,发展了基于球面弯晶成像的高分辨单能内爆烧蚀压缩过程测量技术。通过对球面弯晶成像系统设计的持续改进以及内爆烧蚀压缩过程测量技术的优化,结合实验室和系统原位标定结果,建立了高分辨的内爆压缩流线诊断技术,采用替代靶方式,实现内了爆速度不确定度2.1%的测量精度。     

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.     

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。     

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。     

千特斯拉级内爆磁压缩装置初始磁场电源系统研制

初始磁场电源系统用于激励千特斯拉级内爆磁压缩装置的初级线圈产生初始磁场,是内爆磁压缩装置的关键设备。在分析千特斯拉级内爆磁压缩装置初始磁场电源需求和技术难点的基础上,系统设计了核心部件选择方案和主脉冲电路及控制系统结构,研制成功一套输出电压1～40 kV可调、主放电电流脉冲上升沿约60μs、总峰值电流达3.2 MA的初始磁场电源系统,已应用于千特斯拉级内爆磁压缩装置动态试验。     

锥形腔等离子体压缩的磁流体模拟

锥形腔内爆压缩是一种新的产生高温高压等离子体的方式,在常规压强驱动下可以实现10~6—10~9的体积压缩比,温度达到10 eV以上.为了进一步快速压缩升温,并引入磁场约束能量,我们提出了在流体驱动压缩末端使用θ箍缩的办法,以产生更高温度和密度的等离子体.我们采用磁流体模拟,对锥形腔内只有流体驱动、只有θ箍缩和同时有流体驱动和θ箍缩的混合压缩三种压缩方式进行二维数值计算,结果显示混合压缩能够显著改善压缩和能量约束,产生更高温度的等离子体.模拟还分析了不同参数对混合压缩的影响.     

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。