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。

负载等离子体扰动对Z箍缩动态黑腔辐射温度的影响

通过二维辐射流体力学模拟研究了Z箍缩动态黑腔负载等离子体撞击泡沫柱的动力学过程,探索了带扰动负载等离子体形状对黑腔内辐射温度的影响。结果表明,带有扰动的负载等离子体撞击泡沫后会产生Rayleigh-Taylor(RT)流体不稳定性,导致动态黑腔内的辐射在负载等离子体光薄区域发生漏失,使黑腔内辐射温度降低;负载等离子体扰动振幅越大、波长越大,辐射漏失越严重,同等动能加载条件下黑腔内辐射温度也越低。

Z箍缩动态黑腔形成过程和关键影响因素数值模拟研究

在Z箍缩动态黑腔研究中,认识黑腔形成物理过程及主要特征,明确优化黑腔辐射的关键参数,是实验物理设计的重要基础.本文针对W丝阵填充CH泡沫转换体的负载构型,利用一维辐射磁流体程序,在8 MA驱动电流条件下开展了动态黑腔形成过程和关键影响因素的数值模拟研究.结果表明,丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用产生局部高压力区是驱动冲击波传播和形成动态黑腔的关键物理过程.由于辐射超声速传播及其与冲击波波阵面的空间分离,产生了辐射温度较高而物质未受明显压缩的动态黑腔区域.丝阵等离子体碰撞泡沫转换体前的状态分布决定了动态黑腔辐射场的主要特征,可以通过改变负载参数调整并优化黑腔辐射波形.综合考虑黑腔峰值辐射温度和有效维持时间两个参数,选择匹配质量的丝阵和泡沫,使丝阵质量略小于泡沫,可以获得相对优化的动态黑腔辐射波形.同时,合适的丝阵/泡沫初始半径比也是优化动态黑腔辐射的重要影响因素.

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.

4MA以下电流驱动垂直动态黑腔的自适应性

在4 MA以下电流驱动Z箍缩黑腔辐射特性和耦合效率研究牵引下,研制出了柱型动态黑腔。利用CHO低密度泡沫的自持能力,结合辅助夹具解决了泡沫柱的装配及定位问题。基于负载丝受小应变作用,丝阵和泡沫柱通过μm量级的自由滑动和转动,具备自动适应靶室环境变化能力。实验结果表明:研制出的动态黑腔在Angara-5-1装置环境中具有自动适应能力,各项参数满足物理实验的需求,获得的最高动力学黑腔X光辐射温度为62.7 eV,实验结果重复性优于91.5%。

Z箍缩动态黑腔中泡沫柱的装配精度和误差源分析

为了提高Z箍缩动态黑腔中低密度泡沫柱的装配精度,基于辅助移动平台和视觉识别工艺的基础上,对低密度泡沫柱装配的误差源进行了分析与建模。建立设计、加工和装配误差源传递模型和低密度泡沫柱装配同轴度及轴向夹角精度预测模型,获得各误差源对低密度泡沫柱装配精度的影响大小和规律。最后采用某负载进行了模型的有效性验证,当泡沫柱粘接随机位置误差较小时,同轴误差预测值与实测值偏差为0.01-0.03mm,轴向夹角预测值与实测值偏差为0.05°-0.34°。实践表明,该方法可为低密度泡沫柱装配精度的预测和误差源控制提供一定的理论支撑。

Z箍缩动态黑腔冲击波辐射图像诊断

在"聚龙一号"装置上开展了单层钨丝阵加载重泡沫的动态黑腔实验,初步研究了Z箍缩动态黑腔中冲击波传播和黑腔形成的物理过程.获得了冲击波辐射环的演化图像,分析了丝阵等离子体与泡沫的作用过程及动态黑腔内的辐射特性.测得冲击波的向心传播速度为(14.2±1.7)cm/μs,冲击波平均宽度为0.8—0.9 mm.冲击波辐射环的发光强度沿角向分布的标准偏差约为±10%,中心黑腔区的标准偏差约为±4.2%.

Z箍缩动态黑腔形成过程MULTI程序一维数值模拟

Z箍缩动态黑腔能够高效地将Z箍缩丝阵等离子体动能转换为黑腔辐射能,为驱动惯性约束靶丸聚变提供高品质的X射线辐射场.利用一维双温多群辐射磁流体力学程序MULTI-IFE,研究了"聚龙一号"装置驱动电流条件下的Z箍缩动态黑腔形成基本物理过程.数值模拟结果表明,在动态黑腔形成过程中,辐射热波的传播速度比冲击波的传播速度更快,比冲击波更早到达泡沫中心,使中心区域的泡沫在冲击波到达前就已具有较高的辐射温度.对于"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次采用的负载参数,辐射热波和冲击波在泡沫中的传播速度分别约为36.1 cm/μs和17.6 cm/μs,黑腔辐射温度在黑腔形成初期约80 eV,在冲击波到达泡沫中心前可达100 eV以上,丝阵等离子体外表面发射的X射线能量集中在1000 eV以下.本文给出了程序采用的计算模型、美国"土星"装置丝阵内爆计算结果和"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次模拟结果.

基于MULTI2D-Z程序的Z箍缩动态黑腔形成过程模拟

对辐射流体力学程序MULTI-2D进行改造,增加磁场演化方程程序模块,自洽地在运动方程模块中增加洛伦兹力,在能量方程模块中增加欧姆加热,将它改造成辐射磁流体力学程序MULTI2D-Z.验证了新增磁场程序模块的可靠性,并发现温度和密度的增大会抑制磁场的扩散,负径向速度梯度的流体对流也会抑制磁场的扩散.利用改造好的MULTI2D-Z程序模拟了峰值为8 MA的脉冲电流驱动的钨丝阵Z箍缩动态黑腔形成过程.得到了X光功率(约30 TW)和能量(约300 k J)、泡沫辐射温度(约120 eV)、箍缩轨迹等模拟结果.在动态黑腔形成过程中,磁场主要分布在钨主体等离子体中;辐射向内传播,烧蚀泡沫柱而使它膨胀;辐射热波在被撞击的泡沫柱中传播,其传播速度比物质温度传播得快,当辐射热波传播到中心轴时泡沫柱中的辐射场变得比较均匀,并且除了冲击波处外辐射温度与物质温度基本上没有分离.这些模拟结果可增强人们对磁场扩散和对流规律以及动态黑腔形成机制的理解,同时表明了MULTI2D-Z程序可成为Z箍缩及其应用的新的程序模拟工具.

Z箍缩动态黑腔动力学及辐射特性初步实验研究

在"强光一号"装置进行的Z箍缩动态黑腔实验中,初步系统研究了动态黑腔的内爆动力学特性及辐射特性的一般规律.通过高空间分辨图像,对丝阵与泡沫黑腔碰撞前后泡沫辐射场的变化,泡沫对不稳定性发展的抑制开展了细致研究.实验结果显示,动态黑腔负载内爆的辐射功率波形呈现双峰结构,首峰和主峰分别对应于碰撞和滞止过程.8mm负载的内爆速度高于12mm负载,但其他内爆动力学参数和辐射参数均无明显差异.实验使用的泡沫黑腔能够很好地抑制不稳定性的发展,但在泡沫内部未能实现对辐射的均匀控制,滞止泡沫等离子体柱上仍能轻易区分辐射较强和辐射较弱的区域.

Z箍缩驱动动态黑腔中的基本能量转移特征

动态黑腔是Z箍缩应用的重要途径,它可以为惯性约束聚变靶丸烧蚀内爆提供均匀对称的辐射场,也可以为辐射不透明度测量的样品提供加热源和背光源.动态黑腔中的辐射场特征与驱动电流、黑腔结构和材料组成等密切相关,在宏观上它由黑腔中能量转移决定.为了快速地获得动态黑腔中基本能量的转移特征,以及它们随黑腔结构、线质量、驱动电流参数等的变化趋势,本文采用简单的物理模型来描述动态黑腔的内爆行为.就泡沫柱内爆动能与一维辐射磁流体力学程序的模拟结果进行了比较,两者比较接近.在惯性约束聚变应用的动态黑腔中,丝阵等离子体与泡沫柱碰撞时的动能损失对辐射场的形成很重要;而在辐射源应用的动态黑腔中,动能损失和泡沫柱最后内爆达到的动能都重要.泡沫柱最后获得的最大内爆动能与驱动电流的幅值平方成正比,碰撞动能损失随泡沫柱质量的增加而增大.电流上升时间变小,则泡沫柱中的质量能量密度要增大,从而辐射功率也要增大.

Z箍缩动态黑腔阴影像诊断研究

为了获得填充泡沫的钨丝阵动态黑腔动力学演化图像,研究钨等离子体与泡沫柱的相互作用形式,在1MA脉冲功率装置上设计了四分幅紫外探针光(266nm)阴影成像系统,该系统时间分辨为2.5ns,静态空间分辨优于70μm,径向阴影图像展示了从固体丝膨胀消融到先驱等离子体与泡沫相互作用,从泡沫的箍缩到反弹膨胀的全过程.图像显示了在长约50ns时间内丝等离子体以"雨"的形式持续与泡沫相互作用,在整个箍缩阶段并未观察到等离子体壳层结构.定量分析表明泡沫柱的最小箍缩速度为1.0×106cm/s,最大箍缩速度为6.0×106cm/s,在轴上滞止的直径约为1mm.通过对数值模拟计算结果的讨论,明确了在Z箍缩等离子体状态下阴影成像结果主要反映了逆轫致吸收效应,与径向功率波形的时间关联给出了钨等离子体主体与泡沫柱相互作用时刻的图像.

8-MA装置上的Z-箍缩动态黑腔实验研究进展

综述了8-MA装置上近5年开展的动态黑腔相关实验研究进展。对动态黑腔能量学典型特征研究做了小结并与Z装置做了对比,对丝阵内爆与低密度泡沫相互作用过程中冲击波传播与动态黑腔形成特征的诊断手段和重要结果进行了详细阐述,对动态黑腔负载优化过程做了报道。最后对动态黑腔驱动靶丸内爆实验探索开展了分析与总结。

用于“聚龙一号”上软X光通量探测的平响应X光二极管

介绍了“聚龙一号”上使用的一种由金阴极X光二极管（XRD）和具有特殊构型的复合金滤片构成的平响应XRD探测器,测量软X光通量的标定和实验情况.该探测器的灵敏度在北京同步辐射的4B7B束线站和4B7A束线站标定.标定的灵敏度显示,该探测器对0.1-4keV 之间的X光具有近似平坦的响应曲线.根据标定情况和探测器的谱响应特性,给出了目前该探测器在用于Z箍缩产生的软X光通量诊断中的测量不确定度为12%.在单层钨丝阵Z箍缩实验中,平响应XRD探测器测得Z箍缩产生的X光功率峰值达到52TW,能量达540kJ.在动态黑腔实验中,布置在径向和轴向的两套平响应XRD探测器被用于建立径向辐射功率波形和轴向辐射功率波形之间的时间关联.在典型的动态黑腔实验中,测得轴向辐射功率峰值出现在径向辐射功率前约1.2ns.

基于聚龙一号的钨丝阵Z箍缩内爆辐射特性

介绍了基于聚龙一号装置的Z箍缩诊断和实验布局，分析了丝数132～300、丝直径5～10μm、丝阵直径13～30mm的单／双层钨丝阵Z箍缩内爆动力学过程和软X射线辐射特性规律。研究表明，钨丝阵等离子体的停滞时间与零维薄壳模型计算的停滞时间一致，内爆轨迹存在偏离，丝阵等离子体内爆开始前以丝烧蚀为主，内爆开始时间约为总内爆时间的67％；随着负载质量和半径的增大，负载电流、内爆停滞时间和X射线辐射脉冲半高宽也相应增加，X射线辐射峰值功率减小。双层钨丝阵的内爆均匀性和一致性优于单层丝阵，其辐射峰值功率明显高于单层钨丝阵，但单／双层钨丝阵辐射产额基本相当，能量转换效率约为15％。此外，还初步讨论了单层钨丝阵驱动的低密度泡沫动态黑腔辐射功率波形特征及其与纯钨丝阵内爆辐射的差异。

准球形电磁内爆动力学研究及能量定标关系浅析

通过改变Z箍缩负载的初始形状和/或质量密度分布,可以实现等离子体的准球形聚心内爆.同柱形箍缩相比,准球形电磁内爆可以将内爆动能集中加载至负载中心较小的空间区域内,获得更高的能量密度,从而在驱动Z箍缩动态黑腔实现聚变点火方面具有潜在优势.准球形电磁内爆的负载和电极结构比柱形Z箍缩更复杂,球面收缩的几何特点使其内爆动力学过程和能量定标关系显著区别于柱形内爆.本文利用解析的薄壳模型推导并分析了理想条件下准球形电磁内爆的动力学行为和能量定标关系,并同二维磁流体力学模拟结果进行了比较.与柱形Z箍缩内爆相比,准球形电磁内爆的动能不仅与驱动电流有关,而且敏感地依赖于负载的初始尺寸.在不显著降低驱动电流和内爆品质的前提下,适当增加负载的初始半径和最大纬度,有利于获得更多的内爆动能和能量加载密度.

中俄Z-pinch联合实验新进展

在Angara-5-1装置Z-pinch实验中,研究了双层丝阵内爆动力学模式和动态黑腔,获得高产额X射线辐射能量和功率,X射线辐射功率达5.6TW,泡沫X射线辐射温度达63eV,本文给出主要实验设计方法和结果.