Z箍缩动力学行为及其直接驱动型脉冲源研究进展

Z箍缩在惯性约束聚变、强脉冲辐射效应等前沿科技和国家安全领域发挥着重要作用。该文综述了Z箍缩等离子体动力学行为及其直接驱动型脉冲源关键技术方面的研究进展。首先,总结Z箍缩等离子体的实验诊断技术的发展,特别是激光汤姆逊散射流场诊断方法以及基于磁旋光效应的磁场诊断方法;其次,分析Z箍缩消融、内爆等过程中磁场演化图像及其作用机理的研究进展;再次,面向提升内爆品质的需求,总结预脉冲电流调控质量分布、外施轴向磁场调控等对丝阵Z箍缩内爆动力学行为的影响。同时,面向功率百太瓦级的大型Z箍缩装置建设,概述直接驱动型脉冲源新技术路线中的快直线型变压器支路技术、触发技术以及单路脉冲源的主要进展。最后,总结并提出下一步需要重点攻克的研究方向,主要包括长内爆时间下等离子体不稳定性抑制方法、大型直接驱动型脉冲源电磁能高效传输汇聚方法以及可靠运行技术等。

用于阻挡Z箍缩飞溅物的旋转开口圆盘系统

针对Z箍缩等离子体内爆后期,由于等离子体柱反弹产生的飞溅物会对诊断设备的光学器件造成污染的问题,设计了一种使用旋转开口圆盘进行飞溅物阻挡的系统,可实现在X射线入射到探测器后迅速遮挡光学通道,达到保护诊断系统的目的。分析了旋转开口圆盘的阻挡原理,并根据该原理设计了开口圆盘的形状、尺寸、转速等参数,计算了开口圆盘能够遮挡的飞溅物速度范围为112.4~104 m·s^(-1),允许的时间抖动为12.5μs。通过有限元分析对旋转开口圆盘的应力、形变及模态进行了分析,并基于分析结果对开口圆盘的设计进行了优化,使其最大应力值降低了45%。最后给出了同步触发方案,以确保在光学通道开放时同步触发X射线发射。

Z箍缩X射线入射材料的能量沉积研究

利用弯晶谱仪对Z箍缩X射线能谱进行了实验测量,给出了Al元素时间积分的K层辐射能谱。利用蒙特卡罗软件模拟了单能X射线及实验测得的Z箍缩X射线谱线在Al、碳纤维、Ti合金材料内沿入射方向的能量沉积分布。计算结果表明,Al-W混合负载中Al的质量分数升高会导致X射线能量衰减变快。

美Z箍缩聚变装置实现3700万℃高温等离子体

【美国Zap能源公司网站2024年4月23日报道】美国Zap能源公司(Zap Energy)近期利用紧凑型研究装置Fuze实现了1~3 ke V等离子体电子温度,相当于1100万~3700万℃,在推进Z箍缩技术商业化领域取得重要进展。相关成果已在近期出版的科技期刊《物理评论快报》发表。

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。

抛物线型柱面弯晶谱仪在Z箍缩软X射线辐射能谱测量中的应用

针对Z箍缩软X射线辐射能谱测量,采用双通道拼接方式实现量程搭接,设计了一种抛物线型柱面弯晶谱仪。介绍了基于平行光正入射的解谱方法,分析了平行光斜入射及点源入射条件下对能谱测量范围的影响,并提出了对应的能量修正方法。在“强光一号”装置上开展验证实验,测量了钼丝阵等离子体2~6 keV范围的辐射谱,给出了辐射线谱形态及相对强度,与理论计算及此前同类实验结果相比,谱线能量及形态一致性较好,验证了谱仪设计及解谱算法的正确性。基于辐射线谱相对强度测量结果,计算了钼丝阵等离子体电子温度约为1 200 eV。

15 MA Z箍缩装置真空磁绝缘传输线鞘层电子流分析

基于建立的15 MA Z箍缩装置等效电路模型,获得了外层磁绝缘传输线(magnetically-insulated transmission line,MITL)鞘层电子流分布规律:从时间上看,鞘层电子流幅值先减小、后增大,波形呈“马鞍”型;从空间上看,鞘层电子流沿着功率流方向逐渐减小.分析了MITL参数,包括恒阻抗段真空阻抗、恒间隙段间距,以及柱孔盘旋面位置半径对MITL末端鞘层电子流的影响.计算结果显示:MITL末端鞘层电子流受MITL末端阻抗和柱孔盘旋面位置半径的影响较大.当15 MA装置四层MITL并联真空阻抗从0.42Ω增大到0.84Ω时,在负载聚爆前5 ns时刻,MITL末端鞘层电子流从184.7 kA降低至106.9 kA,负载峰值电流减小约0.5 MA.

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Al等离子体负载1维辐射磁流体性能模拟

针对Al丝阵负载进行Z箍缩内爆模拟,计算Al等离子体负载Z箍缩内爆时间、流体速度及滞止阶段K壳层X射线辐射功率等参数,分析Al等离子体Z箍缩动力学及K壳层辐射相关性能。对初始半径r为6 mm,线质量分别为68,102,136,204μg·cm-1的Al等离子体进行1维Z箍缩内爆模拟。模拟结果表明:Al等离子体壳层在最终压缩比为0.1时,Z箍缩内爆时间随线质量增大而增大,等离子体壳层平均流体速度和平均离子温度随线质量增大而减小,流体速度达105m·s-1量级,平均电子数密度达1020cm-3量级以上。依据Z箍缩动力学模拟获得的温度、密度及速度等参数进行X射线能谱计算,Al等离子体K壳层X射线辐射功率随线质量变化趋势与实验结果符合较好。在4种线质量中,102μg·cm-1Al等离子体K壳层X射线辐射功率最大,为64.54 GW,该线质量Al等离子体壳层在Z箍缩最终压缩比时所产生的Ly-α谱线强度最大,为1.5 GW·eV-1,且1 500~2 300 eV能段范围K壳层X射线辐射能段中Ly-α谱线和He-α谱线的占比为32.3%。线质量为102μg·cm-1时,Al等离子体的线辐射功率和连续辐射功率均有提升。

Z箍缩实验装置高压低抖动Marx发生器

中物院的初级实验平台(PTS)低抖动Marx发生器由60个标称电压为100 kV、电容量为1μF电容器和30个低抖动环轨式场畸变开关构成,采用以S型线路为基础的超前触发型电路。近千次实验结果表明:在工作欠压比71%、触发电压200 kV的条件下,Marx发生器的建立时间175 ns,抖动极差小于±10.0 ns,均方根抖动小于7.0 ns。Marx发生器的串联电感13.5μH,串联电阻3.2Ω,在电容器充电80 kV时,实验测得输出电压4.3 MV,Marx发生器电压建立时间175 ns,与电路模拟结果(输出电压为4.6 MV,电压建立时间160 ns)吻合良好。

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箍缩初级实验平台模块样机

正在研制的Z箍缩实验装置(Z-pinchPrimaryTestStand,PTS装置),由24个基于Marx发生器和水线的性能、结构相同的模块组成,各模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区,要求在不到0.2Ω的低阻抗负载上得到8MA以上电流,电流上升时间小于90ns。研制的样机模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,样机模块输出电流450kA、输出电压2.2MV、输出脉冲功率0.95TW,从触发激光器信号输出到负载电压上升的系统延迟时间抖动小于6ns。

丝阵负载Z箍缩可见光图像诊断系统

主要介绍了为“强光一号”加速器丝阵负载Z箍缩实验设计的可见光图像诊断系统，系统时间分辨约为5ns，空间分辨约为6．5lp／mm，光谱响应范围365-750nm。系统能够满足从早期单丝电离到等离子体柱飞散整个Z箍缩过程的诊断要求，给出了系统在Z箍缩实验中获得的丝阵负载内爆图像序列，并对其反映的内爆现象进行了初步的唯象分析。

面向Z箍缩驱动聚变能源需求的超高功率重复频率驱动器技术

针对Z箍缩驱动聚变裂变混合能源系统对驱动器的总体要求,对可能的技术路线进行了分析评述,结合当前在单脉冲超高功率Z箍缩驱动器和重复频率脉冲功率技术方面的研究基础,提出了混合模式直线变压驱动器概念设计思想,分析了主要的技术难点,明确了相应的关键技术攻关方向,同时对Z箍缩驱动器的总体发展计划提出了建议。

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。

快Z箍缩短脉冲大电流驱动源技术的发展

实现惯性约束聚变(ICF)和高产额(high yield,HY)要求脉冲驱动电流峰值达到约60 MA,采用类似SATURN和Z装置等传统的技术途径进一步提高驱动电流,从装置造价、结构复杂性和运行可靠性等方面看都具有相当大的难度,因此,需要发展新的短脉冲大电流驱动源技术,解决快Z箍缩技术发展的瓶颈。概述了国际上快Z箍缩驱动源技术的研究现状和趋势,介绍了有代表性的ICF/HY等离子体辐射源(plasma ra-diation source简称PRS)或威胁级大型X射线模拟源初步概念设计、拟采用的技术途径,如俄罗斯大电流所(HCEI)基于FLTD(fast linear transformer driver)技术的直接驱动源、美国基于FLTD的新SATURN驱动源和基于FMG(fast Marx generator)技术的快Z箍缩驱动源,提出了快Z箍缩直接驱动源需要发展的关键技术。

Z箍缩内爆的MARED程序1维模拟分析

研制可靠的数值模拟工具对Z箍缩内爆产生X光辐射过程进行理论研究、实验分析以及负载设计至关重要。介绍了2维三温辐射磁流体力学程序(MARED)的物理方案,给出了MARED程序的1维检验结果,验证表明MARED程序适用不同装置条件、不同负载参数。结合丝阵Z箍缩实验的数值模拟和分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X光辐射功率远大于铝丝阵产生的X光功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到X光功率越低;X光功率随着负载电流增加而增加。

用云母弯晶谱仪探测Z箍缩等离子体X射线光谱

为了研究Z箍缩等离子体辐射的X射线光谱，研制了可用于“阳”加速器上探测宽频谱范围的X射线椭圆弯曲晶体谱仪。该谱仪晶体分析器采用云母材料，椭圆焦距为1350mm，离心率为0．9485，覆盖布拉格范围为30°～60°，可探测X射线波长范围为0．10～1．73nm（0．86～1．00nm除外），用X射线胶片接收光谱信号。探测实验在中国工程物理研究院“阳”加速器上进行，实验结果表明：谱仪获取了氩的类氢共振线Lya及其伴线、类氦共振线（1s2p^1P1-1s2^1So）ω线及磁四级M2跃迁（1s2p^3P2-1s^21^So）x线、互组合跃迁（1s2p^3P1-1s^21^So）y线、禁戒谱线（1s2p^3P1-1s^21^So）z线和Ka线，谱线分辨率达到564。实验证明弯晶谱仪适合于Z箍缩等离子体X射线光谱学诊断。

基于LTD技术900kA的Z箍缩驱动器设计

介绍了一种用于丝阵Z箍缩(Z-pinch)内爆实验研究的脉冲放电模块的设计。模块基于直线型变压器驱动器(LTD)技术,包含34个放电支路,通过4个铁基非晶磁芯耦合。每支路由2个40nF电容器和1只4间隙串联气体开关组成,回路电感为220nH。设计了水电阻负载检验模块输出性能,在匹配状态下,负载上的输出电流峰值916 k A,上升时间99.8 ns。设计了磁绝缘传输线将输出脉冲传输至Z-pinch丝阵负载,并利用"零维模型"对LTD模块和负载的耦合放电进行了模拟计算。结果显示,丝阵负载上的放电电流峰值可达960 k A,上升时间为114 ns。

Z箍缩直线变压器驱动源原型模块设计

介绍了用于Z箍缩驱动器的快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）原型模块设计和初步实验结果.该模块采用32个子块并联,每个子块由两台100kV/100nF 脉冲电容器和一只200kV 多间隙气体开关串联组成.32只开关由4路高压脉冲分别触发.模块直径为2.9 m,厚度约27cm.电路模拟结果表明,在±90kV 充电电压下,输出电流幅值为1.0 MA,电流上升时间（10%～90%）约118.6ns.初步实验结果表明,在约90mΩ 近似匹配电阻负载上获得的电流为995kA,上升时间（10%～90%）为120.8ns,脉冲宽度约335.2ns.实验结果与电路模拟结果较为接近.