Z-Pinch驱动核聚变中向心压缩

Z-Pinch驱动核聚变中向心压缩的磁流体力学模拟问题

北京应用物理与计算数学研究所

北京大学工学院兼职研究员

束小建

丁宁彭先觉邬吉明

2008.12.4

所示）

若导线是金属导体，电流将从导体表面很薄一层内流过，则导体内部无磁场，磁场只分布在表面一层和导体外的空间，而运动的电荷将受磁场作用力–洛伦兹力的作用，即

F×

=e

v

B

Z－Pinch就是Z箍缩。轴向（z方向）电流产生角向（θ方向）的磁场对电荷束流有洛伦兹力作用，使之产生向心的加速度，引起电荷束流向中心轴（z 轴）的箍缩，这就是Z箍缩。

空腔丝阵内爆的几个阶段

Z-pinch内爆过程中的MRT不稳定性

MAGPIE实验照片

强光一号实验照片

D-T Target

Hohlraum

Tungsten

Wires

Z-Pinch Wire Array and Target

Z-Pinch驱动惯性约束聚变涉及到的物理过程脉冲功率驱动器提供的能量馈送到负载上

(脉冲功率技术)

负载金属丝的熔解、汽化、等离子体形成

(电磁学、热力学以及原子过程)

负载等离子体的能量加载到泡沫“转换体”上

(磁流体动力学、辐射输运)

泡沫中形成的辐射场对靶的作用

(黑腔物理、靶耦合、内爆核物理)

国外研究情况

•美国领先，SNL, NIF计划的一部分。•俄罗斯，遗产：C300, Angara-5

•英国，MAGPIE Lab, Department of Physics,Imperial College, UK

Z Generator at S andia N ational L

aboratories 19 MA peak load current

11.5 MJ stored energy

40 TW electrical power to load 1-1.8 MJ x-ray energy yield (10-15% conversion efficiency)100-250 TW x-ray power

Marx Generators

Water

Transmission

Lines Fusion Target at

Center of Device

Vacuum Magnetically

Insulated Transmission

Lines Current Z-Pinch Experiment at SNL

Angara-5-1装置

•驱动器

功率∼9 TW

电流∼6 MA

电压∼1.5 MV

脉宽∼70 ns

•Z-pinch负载

总质量0.3 ∼0.5 mg

半径0.1 ∼ 1.5 cm

高1.0 ∼3.0 cm

说明...

Angara-5-1驱动器的负载有两类，一类是以上所列的Liner

Z-pinch 负载。

（套筒）负载，还有一类是Superfast D

2

Z装置实验的丝阵负载

Sandia实验室几代脉冲功率加速器的最佳X射线总能量输出

国外主要Z-pinch 二维模拟程序

2D-RMHD

Los Alamos NL (Euler)

•2D-RMHD 美国Los Alamos 实验室开发

•二维三温单流体RMHD

模拟程序

•Euler 编码

•Pegasus I, II, Procyon, Saturn and Z

•初始扰动范围>15%

MACH2

•MACH2 美国众多实验室

合作开发

•多介质二维三温单流体

RMHD模拟程序

•ALE方法编码

•Pegasus I, II, Saturn and Z

•右图初始网格352×128；

模拟区域1.7×1.5cm。

MACH2 (ALE)

3-D Z-pinch模拟程序•Nevada大学开发的二维三温双流体RMHD

模拟程序

•基于Current Advanced Method and Cycling Leapfrog (CAM-CL) 算法

•可分析轴向流，Hall term，FLR等多种效应对Z-pinch等离子体的影响。

DH is used for high-temperature radiation flow and

ICF experiments.

丝阵+泡沫柱+聚变靶丸

PRL, V89(24),2002,245002

所用模拟程序：•OPTSEC: 2D time-dependent radiation

view factor code

•LASNEX: 2D

国内研究情况

•中物院一所：PTS装置, 10MA •21所(西安): 强光一号，2MA •九所: 总体、理论

•中物院二所：诊断、实验•中物院八所：制靶

•清华大学：喷气负载

研究内容及目标

辐射磁流体动力学（MHD）数值模拟研究

完善三温辐射磁流体力学的物理建模和数值模拟程序，扩充程序功能。

开展Z箍缩内爆等离子体非平衡辐射输运初步研究；

Z箍缩等离子体MHD不稳定性研究；

复合负载的内爆动力学研究；

Z箍缩负载的优化设计研究；

提供实验物理方案与负载设计参数。

目标：研制描述快过程Z箍缩内爆等离子体产生X 光辐射过程的辐射磁流体动力学数值模拟工具，深入了解Z箍缩过程，并为Z箍缩实验设计优化负载。