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。

Fast Z-Pinch,A New Approach for Promising Fusion Energy

The basic concept of fast Z-pinch,and late progress in fast Z-pinch plasma research as HEDP and ICF research,especially as an approach for high yield low-cost fusion energy research,are summarized in this paper.The possible technical challenges of fast Z-pinch-driven ICF as fusion energy and it application prospect are discussed.

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。

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。

快Z箍缩百太瓦级脉冲驱动源概念设计的发展

快Z箍缩在强辐射效应、惯性约束聚变、材料特性、天体物理和其他高能量密度物理方面具有重要应用,要满足上述多种需求,迫切需建电流数十兆安、前沿百纳秒,功率百太瓦级的脉冲功率驱动源。本文综述了Marx水线电容储能多级脉冲压缩传统技术路线和直接驱动FLTD型技术路线的快Z箍缩百太瓦级脉冲驱动源的研究现状、发展趋势,分析了两种技术路线的主要制约因素和前景,梳理了研制百太瓦级、电流数十兆安的快Z箍缩驱动源需要解决的主要关键技术和科学问题。

直接驱动Z箍缩的FLTD型脉冲功率源的发展

介绍了快直线型变压器(FLTD)脉冲源的技术特点;概述了美国圣地亚国家实验室与俄罗斯强流电子学研究所合作研制的FLTD-Z模块的新进展,基于FLTD拟重复频率运行的针对聚变能源(IFE)应用的原理性样机Z-POP装置,以及下一代惯性约束核聚变(ICF)和IFE用的指标为6 MV,60 MA/90 MA和100 nsFLTD型直接驱动脉冲源的概念设想;初步分析了FLTD直接驱动源需要研究的关键技术。

20 MA/300 ns Marx型直接驱动Z箍缩脉冲源

基于金属外壳1.0μF/40nH/100kV的电容器和±100kV/200kA气体开关,提出了电流20MA、前沿300ns Marx型直接驱动Z箍缩负载的脉冲功率源概念设想,共40路并联,每路为6个Marx并联驱动一条水介质传输线,Marx为18级串联。分析了关键单元(电容器和气体开关)的技术可行性,建立了PSpice电路模型,模拟计算了Marx建立时间分散性、水介质传输线阻抗对负载电流的影响,模拟结果表明:Marx建立时间分散性从10ns增加到60ns时,负载电流前沿从平均282ns增加到287ns,峰值从21.0 MA降低到19.8MA,脉宽几乎不变;Marx建立时间分散性对负载电流的影响随着并联数目增加变小;采用4.2Ω等阻抗传输线,负载电流最大。

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。

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。

用于Z箍缩诊断装置的快阀研制

Z箍缩实验滞止后期负载产生的微小碎片及其他飞溅物质会污染Z箍缩诊断系统内的光学器件,本文研制了一种基于电磁感应原理的快阀,其可用于遮断微小碎片及其他飞溅物质。根据能量守恒和电路方程,计算了快阀的运动速度、遮断时间及线圈放电电流等参数,并利用实验测量获得快阀运动速度为19m/s,遮断时刻时间抖动为85μs,实验测量与计算结果较为吻合。

百千安电流下的单丝Z箍缩实验研究

为更深层次理解Z箍缩基本物理过程,认识单丝早期演化对丝阵后续内爆过程产生的影响,基于百千安直线脉冲变压器(FLTD)平台开展了不同材料(钨丝、镀膜钨丝和铝丝)单丝Z箍缩实验研究,实验获得了单丝演化过程的双分幅激光阴影和干涉图像。实验发现:初始直径相同(15μm)的条件下,铝丝核的膨胀速度比钨丝核的快,在电流开始一段时间内,铝丝核沿轴向呈均匀膨胀,而钨丝核因电极效应沿轴向膨胀不均;镀膜钨丝(15μm W+2μm Polyimide)核的膨胀速度远大于钨丝核的,甚至高于铝丝核的,同时镀膜还降低了消融等离子体不稳定性的发展速度。

四级串联共用腔体MA级FLTD的设计与仿真

目前MA级快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)模块一般引入2~4路快前沿(约20ns)高幅值(100kV)电脉冲触发,百TW级数十MA的FLTD驱动源含有数千个模块,其触发系统非常庞大,并且要求触发脉冲按照精确时序到达各级串联模块,以便实现与次级行波同步的感应电压高效叠加,触发系统成为大型FLTD驱动源的瓶颈之一。在之前提出的一种利用一路外触发脉冲实现数十模块串联FLTD与次级行波同步的感应电压高效叠加触发方式基础上,设计了4级串联共用腔体的MA级FLTD模块组,每级共24支路,其中1个用作触发支路,主放电支路由2只100nF双端引出电极电容器和1只GW级气体开关组成;建立了16级串联、次级为水线的单路FLTD电路模型,数值仿真研究了支路开关自放电、触发支路开关闭合时序与分散性,以及次级传输线阻抗对驱动源的影响。

中物院快脉冲直线型变压器驱动源技术研究进展

快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)是一种可以直接获得小于100 ns脉冲上升时间的新型脉冲功率技术,在Z箍缩、闪光照相和高功率微波等领域具有重要应用。为此,介绍了近年来以流体物理研究所为代表的中国工程物理研究院在快脉冲LTD模块关键单元技术(如多间隙气体开关、触发系统和磁芯等)、单LTD模块以及多级LTD模块串联装置等方面的研究进展。研究结果表明,LTD具有结构紧凑、参数调整灵活、能量效率高等优点,是未来强流脉冲驱动器设计的优选技术路线。

国际快脉冲直线变压器驱动源技术研究进展

快脉冲直线变压器驱动源(LTD)技术是近年来快速发展起来的一种新型脉冲功率技术。概述了近年来国际上快脉冲LTD技术的研究现状,介绍了快脉冲LTD在Z箍缩和闪光照相两个应用领域的发展,重点介绍了具有代表性的装置的概念设计及研究进展;对快脉冲LTD技术所涉及的开关、触发系统等关键技术进行评述,并在此基础上提出了进行快脉冲LTD技术研究需关注的重点问题及研究途径。

一种多级串联共用外腔体新结构LTD

提出一种多级串联共用腔体新结构快脉冲直线变压器驱动源(FLTD),每级采用一个不包围磁芯支路和角向传输线实现单级感应腔同步触发,引入一路外触发脉冲实现共用外腔体的多级串联FLTD按理想感应电压叠加器(IVA)时序触发。三级串联共用腔体FLTD和常规三级串联FLTD的等效电路和三维电磁模型初步计算结果表明,新结构FLTD与常规结构FLTD具有相同的输出性能。采用新结构可大幅降低Z箍缩ICF/IFE FLTD驱动源的触发与充电要求,具有重要工程应用价值。