Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆总体概念研究进展

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)在核安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境、气候问题的新能源。从Z箍缩驱动聚变方案与聚变靶设计、重复频率驱动器、次临界包层及产氚包层设计、燃料循环等关键问题方面,对Z-FFR工程概念总体研究情况进行了介绍。

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。

快Z-箍缩——有前景的聚变能源新途径

简要介绍了快Z?箍缩的基本概念;综述了快Z?箍缩等离子体研究及其作为高能密度物理与惯性约束聚变(ICF),尤其作为低成本聚变能源研究的最新进展;探讨了快Z?箍缩驱动ICF作为聚变能源可能遇到的技术问题及应用前景。

快Z箍缩钨丝阵内爆物理研究

通过理论和实验研究了快Z箍缩电磁内爆动力学物理过程及其辐射特性,完成了1维和2维辐射磁流体动力学数值模拟程序。利用阳加速器、强光一号脉冲功率装置、S-300装置和Angara-5-1装置,开展了实验研究,发展了一系列观察Z箍缩等离子体辐射的诊断系统。研制了单层、双层钨丝阵及单层丝阵加聚氘乙烯芯等负载。重点研究了能量耦合和内爆动力学规律。

Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学

利用Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆是实现惯性约束聚变可能的技术途径之一.聚龙一号装置已开展的动态黑腔实验初步表明形成了有效的动态黑腔辐射场,为驱动靶丸内爆研究奠定了重要基础.针对聚龙一号装置驱动条件,通过建立包含柱形动态黑腔与球形靶丸的柱球耦合物理模型,利用二维辐射磁流体力学程序,对Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学过程进行了数值模拟研究,获得了丝阵等离子体内爆、丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用、冲击波产生和黑腔辐射传输、辐射烧蚀和燃料压缩的完整过程.在此基础上,研究了靶丸赤道面和两极的辐射源均匀性及燃料压缩对称性.结果表明,由于在泡沫转换体中的辐射传输以及黑腔-靶能量耦合过程,靶丸赤道面与两极辐射波形存在一定的时间差和峰值差,造成燃料压缩不对称.若减小靶丸半径,可以提高燃料压缩的对称性,但靶丸半径很小时聚变产额也较低;靶丸半径较大时,由于靶丸赤道面和两极辐射场时间和温度峰值的较大差异,燃料压缩呈现更为明显的不对称性.

快Z箍缩等离子体研究与能源前景

综述了快Z箍缩等离子体研究国内外最新进展及其聚变能源应用前景,介绍了快Z箍缩研究对高能密度物理与惯性约束聚变研究的意义,尤其对高产额、低成本聚变能源技术的可行性研究作了预测,初步探讨了作为聚变能源可能遇到的技术问题。

基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展

基于脉冲功率技术的箍缩装置能够在cm空间尺度和百ns时间尺度产生极端的高温、高压、高密度以及强辐射环境。中物院流体物理研究所在已建成的10 MA级的大型箍缩装置上开展多种负载构型的高能量密度物理实验研究。利用Z箍缩动态黑腔创造出了惯性约束聚变研究所需的高温辐射场;研究了金属箔套筒和固体套筒的内爆动力学特性;利用中低Z材料内爆获得了可观的K壳层线辐射并用于X射线热-力学效应实验研究;磁驱动准等熵加载和冲击加载为材料动态特性研究提供了新的实验能力;采用环形二极管和反射三极管技术的轫致辐射源获得了高剂量(率)的X射线和γ射线;利用磁驱动的径向金属箔模拟了天体物理中恒星射流的形成及其辐射的产生。此外,还介绍了利用反场构型磁化靶聚变装置开展的预加热磁化等离子体靶形成等实验结果。

美国快Z箍缩装置的建设、应用与发展规划

综述了美国圣地亚国家实验室ZR(Z Refurbished)装置的建设背景、结构及最新进展,梳理了自2011年以来在ZR装置上开展的实验研究工作,主要包括辐射效应、惯性约束聚变、极端条件下的材料科学和天体物理学等研究。最后,介绍了美国未来基于直线变压器驱动器技术的快Z箍缩装置发展规划。

快Z箍缩物理过程的PSPICE电路模拟方法分析

简单介绍了快Z箍缩概念和物理过程,以及Z箍缩物理过程不稳定性因素和简单分析。用PSPICE电路模拟方法解薄壳模型得到了箍缩时间、等离子体壳的速度、负载上的电流、电压变化规律等Z箍缩物理量。

嵌入硬泡沫层和靶丸的Z箍缩动态黑腔动力学行为及其辐射场模拟研究

利用自行开发的二维辐射磁流体力学程序,模拟研究在软泡沫柱外嵌套硬泡沫层、中心嵌套结构靶丸的动态黑腔整体动力学行为和热力学性能,以发现硬泡沫层对动态黑腔辐射场的影响和调制作用,以及腔靶耦合相互作用规律。对峰值50 MA、全上升时间300 ns的驱动电流,模拟结果的比较分析表明,嵌套硬泡沫层后靶丸感受到的辐射场温度开始升高时刻延后,辐射均匀更迅速,辐射温度第一峰下降,变化更顺滑,黑腔存在时间变长,达到10 ns以上,后期辐射温度大于350 eV,波形与美国靶丸点火成功实验中的黑腔辐射温度变化曲线比较接近;与没有靶丸的动态黑腔的相同区域辐射温度相比较,嵌入靶丸后,靶丸在烧蚀后期感受到的辐射驱动温度增加。故嵌套硬泡沫层和腔靶耦合都有益于聚变靶丸的烧蚀内爆。

Z箍缩等离子体电流分布研究

利用人电流脉冲功率装置驱动金属丝阵Z箍缩内爆是惯性约束聚变的一个重要技术途径。

氩气Z箍缩内爆动力学过程实验

Z箍缩等离子体辐射源是一种非常有效的强x射线源，在材料特性、表面热处理、x射线激光和惯性约束聚变能量等方面具有广泛的应用前景。目前用于产生x射线的Z箍缩负载包括金属丝阵、喷气负载以及相关的复合负载，当加载脉冲参数一定时，负载的质量和半径等因素决定了等离子体x射线辐射的产额。针对目前国内现有的脉冲功率装置驱动能力，采用超声速喷嘴产生的气体（如氖气、氩气和氪气）及多金属丝负载来进行z箍缩内爆实验是比较现实且可行的，对研究等离子体在各个阶段的运动速度、密度和温度、形态和寿命，优化负载参数、提高x射线输出，改善谱线特征等可以提供相关的依据。

完全稳定化MRT的可能性及应用于聚变的潜力

提出采用方向时变(旋转)的驱动磁场(交替Θ-Z箍缩构型)或者多级嵌套Θ-Z箍缩构型来抑制动态Z箍缩的MRT不稳定性的概念,介绍了对交替/嵌套Θ-Z箍缩MRT不稳定性的最新研究进展,结果表明适当优化的交替/嵌套Θ-Z箍缩的MRT不稳定性明显远低于标准Θ箍缩或者Z箍缩的,一定厚度时甚至被完全致稳,这表明交替/嵌套Θ-Z箍缩构型具有潜力应用于Θ-Z箍缩套筒惯性聚变。

Z箍缩驱动惯性约束聚变的新途径探索

惯性约束聚变（ICF）是要把某种形式的能量直接或间接地加载到聚变靶上，压缩并加热聚变燃料，在内爆运动惯性约束下实现热核点火和燃烧。基于脉冲功率技术的快Z箍缩（Fast Z—pinch）技术可以实现驱动器电储能到Z箍缩负载动能或X光辐射能的高效率能量转换，

电子束时间展宽皮秒分幅相机

研制了基于电子束时间展宽技术和微通道板(microchannel plate,MCP)选通技术的时间展宽分幅相机。相机有三条厚度80 nm、宽度8 mm的微带阴极,阴极上加载斜率为2.1 V/ps的高压斜坡脉冲,使得先发射的电子较后面的电子速度快,经过50 cm的漂移区后,电子束产生时间展宽,从而提高相机时间分辨率。阴极和MCP均加载了脉冲电压,因此,需要精确同步光脉冲、阴极脉冲和MCP选通脉冲,分析了完整的同步过程。当阴极仅加直流电压,无电子束时间展宽时,获得相机的时间分辨率为78 ps。当阴极加载高压斜坡脉冲时,电子束时间展宽技术将系统的时间分辨率提高至12 ps。改变延时,将光脉冲分别同步在斜坡脉冲不同位置,获得了时间分辨率与同步位置的关系。

准球型负载装配技术

根据准球型负载的结构和材料特点及其装配过程中对精度的要求,开展了丝阵和泡沫微球装配技术的研究。并根据准球型负载的丝阵装配技术,进行了丝阵直径约8mm、钨丝直径约10μm的丝阵负载装配;利用泡沫微球装配系统进行了直径约3mm微球与直径约200μm玻璃纤维的精确装配。准球型负载已成功应用于准球型负载物理试验中,并取得了较为理想的试验结果,有望在惯性约束聚变(ICF)物理试验及准球型负载物理试验中发挥更大的作用。

靶用低密度聚4-甲基-1-戊烯泡沫的制备与表征

通过控制体系的受热历史,改进了惯性约束聚变靶材料聚4-甲基-1-戊烯(TPX)泡沫二元溶剂体系的制备工艺,并利用β射线检测和X射线照相技术,对不同制备工艺的泡沫柱进行密度分布表征。结果表明:两种方法检测的结果基本一致,即凝胶过程的冷却速率为1℃/min,且凝胶后采用淬冷使其快速固化的方法能制得密度分布均匀的低密度TPX泡沫样品,从而确定了均匀泡沫的最佳制备工艺。由于二元溶剂体系的超低密度TPX泡沫样品孔径太大,极个别大孔可达数百μm,均匀度极低,所以采用TPX的环己烷一元溶剂体系可以成功制备出最低密度达3 mg/cm3的超低密度TPX泡沫样品,且满足Z箍缩物理实验用靶的需求。