磁化套筒惯性聚变初步探索研究与实验可行性分析北大核心CSCD

磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型可充分利用现有大型脉冲功率驱动装置,如聚龙一号等。基于磁流体力学方程组和1∶1比例氘氚(DT)混合燃料聚变模型,开发了零维MagLIF数值模拟程序并进行了初步探索研究。计算结果表明初始负载参数(如轴向磁场强度,预加热温度、时刻,负载半径等)与聚变产额之间有着密切的联系,在给定条件下,可依据计算给出的定性关系进行负载优化设计。值得注意的是,根据计算结果,即使在理想条件下,氘氚燃料要实现能量收支平衡,则驱动器的电流必须大于21.2 MA。这意味着聚龙一号装置(10 MA)无法开展集成化的MagLIF实验,进一步的校验计算验证了上述观点,并在此基础上提出铝套筒分解实验的建议和负载设计参数。所取得的计算结果有利于加深对MagLIF套筒压缩阶段物理过程的认知和理解。     

磁化套筒惯性聚变初步探索研究与实验可行性分析

磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型可充分利用现有大型脉冲功率驱动装置,如聚龙一号等。基于磁流体力学方程组和1∶1比例氘氚(DT)混合燃料聚变模型,开发了零维MagLIF数值模拟程序并进行了初步探索研究。计算结果表明初始负载参数(如轴向磁场强度,预加热温度、时刻,负载半径等)与聚变产额之间有着密切的联系,在给定条件下,可依据计算给出的定性关系进行负载优化设计。值得注意的是,根据计算结果,即使在理想条件下,氘氚燃料要实现能量收支平衡,则驱动器的电流必须大于21.2 MA。这意味着聚龙一号装置(10 MA)无法开展集成化的MagLIF实验,进一步的校验计算验证了上述观点,并在此基础上提出铝套筒分解实验的建议和负载设计参数。所取得的计算结果有利于加深对MagLIF套筒压缩阶段物理过程的认知和理解。     

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。     

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。     

磁化套筒惯性聚变中端面损失效应的一维唯象模型与影响分析

得益于激光预加热和轴向磁场的作用,磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion,MagLIF)构型理论上能有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力.本文选择MagLIF过程中伴随激光预加热所必然存在端面损失效应作为研究目标,搭建了能够描述几何参数与腊肠不稳定性等高维效应的一维唯象物理模型,并分别通过与二维流体动力学程序和国外同类程序的计算对比完成参数拟合校验;在此基础上,获得端面损失效应对MagLIF内爆过程及预加热效果的影响规律.计算结果表明:不同喷射半径下MagLIF负载在内爆过程的绝大多数时间内保持了相近的流体动力学演化过程,并在迟滞阶段经历了相同的质量损失比例,且考虑端面效应后得到的预加热和内爆产额相对变差,但却不改变规律性的趋势.所建立的模型与结论有助于加深对MagLIF预加热和端面损失过程中物理图像的认知和理解.     

一维磁化套筒惯性聚变模拟程序的设计与校验

在调研跟踪国外磁化套筒惯性聚变(MagLIF)研究领域最新进展的基础上,以一维磁流体力学方程为基础,结合氘氚燃料能量交换方程,建立一维磁化套筒惯性聚变物理模型,并使用Fortran语言编写完成一维数值模拟程序MagLIF-1D;通过与圣地亚实验室LASNEX,HYDRA等程序计算结果对比展示,完成程序校验工作,讨论后认为程序计算结果存在差异的主要原因可能来自不同程序对于材料状态方程库的选择;通过计算,MagLIF-1D程序可以直接获得内爆速度、燃料压力、燃料密度、聚变产额等关键物理量,这为后续更好地开展磁化套筒惯性聚变实验设计提供了有力工具。     

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.     

铟活化诊断氘氘中子产额不确定度分析

介绍了铟活化诊断氘氘中子产额的测量原理,分析了中子产额测量不确定度的来源及评定方法。中子产额测量不确定度主要由灵敏度标定不确定度、活化射线净计数不确定度、立体角测量不确定度及测量系统的随机误差等构成。评估了灵敏度标定过程中加速器中子与聚变中子能量差异、大厅散射中子本底等因素对灵敏度标定的影响,并评估了宇宙射线本底对活化射线净计数测量的影响。分析了中子产额处于不同量级时起主要作用的不确定度分量,提出了减小灵敏度标定不确定度的方法。以实验数据为基础,对具体的实验数据进行了分析计算。结果表明:利用伴随粒子法在加速器中子源上标定出铟活化测量系统灵敏度的相对标准不确定度为4.3%。中子产额低于1010时,产额测量不确定度大于7%,活化射线净计数误差是产额测量误差的主要来源;产额大于1010时,测量不确定度好于7%,中子产额测量不确定度主要由灵敏度标定不确定度引起。     

爆推快点火模型分析

 使用简单的爆推模型估算爆推快点火过程及其结果。 首先由ns级主驱动激光直接驱动,形成中心低密度高温热斑,周围为高密度低温主燃料区, 两区压力平衡(等压模型);然后用ps级超短超强激光打入,产生超热电子,其能量在低温主燃料区沉积,主燃料区发生爆炸,一部分向外飞散,一部分向内压缩中心热斑。在这个爆推模型下,热斑体积压缩比为64,中子产率将有极大的提高,相应的中子产额和能量增益得到提高。离子温度因为主燃料区质量过大,提高不大。提高超热电子能量,或者减小低温主燃料区质量,离子温度将会显著提高。不同的初始离子温度对结果有很大影响,较低的初始温度下更容易得到较高的中子产率和产额。     

基于~(252)Cf源驱动噪声分析法的高浓缩铀部件外加反射层效应

针对高浓缩铀部件外加的反射层材质及厚度之效应可以巧妙避开核查这一问题,依据~(252)Cf中子源驱动噪声分析法原理,采用蒙特卡罗方法模拟研究了高浓缩球形金属铀部件的不同材料、厚度的反射层的效应,获得了相应的时间关联符合计数分布和中子产额。研究结果表明,对同一材料的反射层,反射层厚度愈大,中子产额愈大,即反射效果愈好。对于同一厚度的反射层,反射层材料的密度愈大,中子产额愈大,反射敷果愈好。     

磁化套筒惯性聚变典型物理过程及特征参量

磁化套筒惯性聚变(MagLIF)结合了传统磁约束聚变(MCF)与惯性约束聚变(ICF)的优势,理论上在有限的驱动能力下可以有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力。基于一维集成化物理模型编写了数值模拟程序,以ZR装置典型驱动能力27 MA为出发点,以时间演化为顺序,通过数值模拟系统性地总结分析了典型负载参数下MagLIF构型初始化、加速内爆及迟滞3个关键过程中重要特征参量的分布及演化情况。数值模拟结果有助于理解MagLIF构型从预加热经由燃料压缩到最终发生聚变这一快速而复杂的过程,从而为建立相应的物理图像和认知提供了重要支撑,与传统ICF典型参数的对比也体现了该构型的优势所在,为后续研究奠定了基础。     

两种外磁场形式对介质面次级电子倍增的抑制

利用自编1D3V PIC程序,数值研究了不同外加磁场方式对次级电子倍增抑制的物理过程,给出了次级电子数目、平均能量、密度、运动轨迹、渡越时间、介质表面静电场及沉积功率等物理量时空分布关系。模拟结果表明:不同方向外加磁场抑制次级电子倍增的机理有所不同。轴向外加磁场利用电子回旋运动干扰微波电场对电子加速过程,使其碰壁能量降低以达到抑制二次电子倍增的效果;横向外加磁场利用电子回旋漂移过程中,电子半个周期被推离介质表面（不发生次级电子倍增）,半个周期被推回介质表面（降低电子碰撞能量）的作用机理,达到抑制二次电子倍增的效果。讨论了横向磁场在回旋共振下,电子回旋同步加速导致回旋半径增大,电子能量持续增加的特殊过程。两种外加磁场方式都可以通过增加磁场达到进一步抑制次级电子倍增的目的。轴向外加磁场加载容易,但对磁场要求较高;横向外加磁场需要磁场较低,但加载较为困难。     

神光Ⅲ主机双束组激光间接驱动内爆实验研究

在神光Ⅲ主机装置上,利用已经建成的两个激光束组,开展了激光间接驱动内爆物理磨合实验,是神光Ⅲ主机装置首次出中子实验。实验采用1400μm×2100μm黑腔,500μm的塑料靶丸充1 MPa的DD燃料,激光从黑腔两端55°注入。实验获得的最高中子产额为9.7×108。实验结果表明,实验黑腔的耦合效率约为50%;使用的黑腔偏长,靶丸被压缩为"薄饼形";中子产额和激光能量正相关;中子发射峰值时刻主要依赖于烧蚀层厚度。     

加速器驱动次临界系统散裂靶参数优化计算

采用国际开源程序包Geant4,构建高能质子束轰击加速器驱动次临界系统(ADS)散裂靶的物理模型,模拟计算质子轰击液态金属铅、铅-铋合金和汞靶的泄漏中子谱分布,以及计算不同能量质子对应的铅靶泄漏中子产额和轴向积分分布,获得1 Ge V质子对应的铅圆柱靶优化参数,考虑入射质子的利用率和整个堆芯的体积质量,优化靶半径范围为16～24 cm,靶高为100 cm,相关研究结果可为(ADS)散裂靶的物理和工程设计提供理论依据。     

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.     

新型二次电子倍增阴极构型设计与动力学过程

提出了一种可由脉冲功率驱动的新型二次电子倍增阴极构型,并对其进行了动力学过程的初步理论研究。首先,针对该二次电子倍增阴极,建立了动力学模型,获得了二次电子的位移和速度方程,讨论了电子初始出射速度对其轨迹、渡越时间和碰撞能量的影响,理论给出了渡越时间和碰撞能量的近似解析表达式。其次,通过动力学方程与Vaughan二次电子产额经验公式的耦合求解,获得了该二次电子倍增阴极的工作区间,并对其进行了细致讨论。结果表明:该新型二次电子倍增阴极二极管概念上是可行的,在涂敷高二次电子产额系数材料的圆柱形介质上施加合适的轴向和径向静电场(MV/m量级)以及轴向静磁场(T量级),可以达到电子沿阴极表面螺旋行进过程中实现二次电子倍增并最终获得电流沿轴向放大的设计目标。另外,讨论了正电荷沉积引发的二次电子倍增饱和现象,并对阴极发射电流密度进行了理论粗估,结果表明:阴极发射电流密度可达kA/cm2水平,具备强流发射特性;增加外加径向场强幅值可有效提升阴极发射电流密度。     

外加磁场下铁的形核机理

本文采用直接冷却和两相模拟两种分子动力学方法,研究了外加磁场液态铁凝固过程的影响并将结果与无外加磁场的计算结果进行对比. 外加磁场对凝固过程的影响主要体现在临界温度、能量和径向分布函数. 计算结果表明,铁液的凝固相变过程主要是发生在1500∽1600 K的温度范围;在外加磁场作用下,液态铁的凝固点有明显减小的趋势. 通过对扩散系数和粘度的进一步分析,在外加磁场的存在下,体系的扩散系数增大而粘度减小,研究显示外磁场驱动的铁液原子涨落较强导致凝固点的降低.     

高温超导块材磁通汇聚效应的数值模拟研究

高温超导块材在零场冷条件下感应产生的涡流可以有效地屏蔽外加磁场,从而改变空间磁场分布.通过合理的设计,该效应可以被用来约束、聚集磁通,从而增大局域磁通密度,对于需要高磁通密度和磁场梯度的应用具有重要意义.本论文利用基于H方程的二维有限元数值模拟,结合GdBa₂Cu₃O_7-δ材料实测的Jc(B,T)关系,研究了GdBa₂Cu₃O_7-δ超导块材的磁通汇聚效果,分析了超导块材的空间位置、工作温度及不同外加磁场对其磁通密度放大效果的影响.结果显示在30 K的温度下,外加11 T的外加磁场时,可以在间距为2 mm的两块超导块体间隙获得17.2 T的磁场,磁场放大效率达到56%.     

HL-2A装置上DD热核聚变中子产额和通量的估算

用蒙特卡罗方法,利用MCNP3B编码计算了HL 2A装置芯部离子温度为5keV、离子密度为5×1013cm-3的DD热核聚变中子产额的空间分布,以及高场边A、低场边D、偏滤器的B和C点所在位置各种能量的中子辐射通量和平均通量。计算了由于D+D→P+T反应产生氚,在10%的氚与氘发生DT反应产生中子的条件下,热核聚变中子的产额以及在A、B、C、D各位置通量发生的变化。计算结果为发展新的聚变中子诊断系统、辐射防护和环境评估提供了依据。     

球形及柱形磁化等离子体靶中α粒子能量沉积率分析

基于单粒子理论模型及积分算法,编写了单粒子轨道数值模拟程序———ALFA,分析了柱形和球形两种边界位形磁化等离子体靶中非热α粒子通过库仑碰撞对D-T等离子体加热的能量沉积率。在均匀背景磁场及相同的D-T等离子体密度、温度条件下,柱形边界中非热α粒子能量沉积率比球形边界更高。在相同等离子体温度及密度条件下,α粒子的能量沉积率随磁场的增大而增大,但计算结果表明,磁场的有效作用区域存在明显的上下限值,当等离子体内磁场小于下限阈值时,磁场增加对α粒子能量沉积率的提高贡献不大,而且当等离子体内磁场超过上限阈值后,磁场再增加对提高α粒子能量沉积率的作用也不明显。对不同几何尺寸的磁化等离子体靶,磁场有效作用区域的上下限值不同,靶尺寸越大,相应的上下限阈值越小。提高等离子体密度,可增加α粒子能量沉积率,也能降低磁场有效作用区域的上下限阈值。