基于LTD技术的重频Z箍缩驱动器设计

发布时间：2020-10-28 07:01

　　 直线型变压器驱动器(Linear transformer driver,LTD)技术已成为Z箍缩驱动器领域的一项研究热点,受到国内外的广泛关注。该技术可直接产生高功率快脉冲,与传统的Marx发生器+中间储能电容+脉冲形成线的技术相比,能量效率和紧凑性大幅提高。同时,由于单个器件的功率负荷小、绝缘环境简单,可较好地实现重复频率运行。因此,LTD被认为是下一代Z箍缩驱动器的首选技术途径,也是面向Z箍缩驱动聚变能研究的一个重要方向。本文针对重频Z箍缩驱动器的设计需求展开研究,对LTD模块和单元技术开展了实验探索,研制了 800kA原型模块并开展了超过6000次重频考核;基于电路模型和磁流体动力学程序,对LTD驱动器与Z箍缩负载的耦合特性进行了深入的模拟分析;在上述工作的基础上,设计了输出电流5MA的全真空LTD装置,并建立了全电路程序进行了数值计算。在LTD模块和单元技术方面,设计了 6间隙电晕均压开关并进行了实验测试,开关各间隙的电晕电流偏差～5%,且与电压近似为2.5次方幂函数关系,推算各间隙的电压偏差～2%。开关的自击穿电压与经验公式计算结果相符,在±90kV充电电压和60%工作系数下,导通延迟时间为55.0±1.3ns(1σ)。基于电缆成形技术,设计了可大规模扩展的触发技术,产生的触发脉冲峰值电压150kV,前沿15ns(0.1-0.9),半高宽100ns。优化了薄膜电容器设计并开展了加速老化实验,在提高电容器设计耐压20%时,寿命提高248%。利用800-kALTD模块成功验证了单路触发和电感隔离两项全新的技术,在6000次实验考核中工作性能良好。采用单路触发技术可将LTD装置对触发脉冲的需求量减小75%,而电感隔离则避免了电阻隔离器件寿命的制约。LTD器件、模块以及新型触发和隔离技术的成功研制,为设计大型LTD驱动器奠定了坚实的基础,可为该领域的研究提供重要参考。在驱动器与负载的耦合特性方面,建立了驱动器的简化电路计算方法,建立了一维磁流体动力学程序,对驱动器与负载进行了耦合计算,深入分析了传输线与负载连接的真空区域结构电感、负载参数以及传输线参数对电脉冲耦合和能量转换的影响。适当增加真空区电感,可改善传输线与负载的功率匹配,增加电感储能。在内爆后期电感储能的释放可占负载能量(动能和内能之和)增量的40%以上,从而弥补了驱动电流降低对Z箍缩产生的不利影响。使用大而轻的负载,可输出较高的驱动电流,负载可获得更大的内爆动能和速度,且滞止阶段的等离子体热化时间短,有利于产生高功率的X射线辐射。对于小型的Z箍缩装置,驱动源与负载之间的传输线可等效为电感,脉冲直接作用于负载,整个放电回路的电感增大,输出电流峰值降低,前沿增加。然而,由于不存在长延迟时间的传输线,负载的反射能量可再次返回并作用于内爆过程。通过适当增加负载质量,延长内爆时间,使驱动器的储能充分释放,可有效提高能量利用效率。在LTD驱动器设计方面,基于800-kA原型LTD模块,设计了可在丝阵负载上输出峰值～5MA、上升沿～100ns的Z箍缩驱动器。整个装置高3.2m,占地区域直径12m,含6路并联模组,每路8级模块串联,最大储能672kJ。各路模组产生的脉冲由真空线直接输出至负载,无水-真空界面,从而避免了传统的绝缘闪络问题的制约,使驱动器具有重频运行能力。基于磁绝缘理论和TLCODE方法,并采用零维Z箍缩内爆模型,建立了驱动器与负载耦合的全电路计算程序,对驱动器的电压叠加、功率传输和反射以及电流泄漏等进行了详细的计算和分析。针对多种的负载构型,详细计算了电流峰值、上升时间、内爆时间、最大内爆速度、动量和动能等的变化特性,提出了较为优化的负载结构(m=1.5mg/cm,R0=1.5cm)。程序计算表明,该驱动器可在较大的负载参数范围内输出峰值4-5MA、上升沿90-100ns电流,动能转换效率11%-14%;通过与实验数据对比,可以合理预期:该驱动器可在金属丝阵Z箍缩负载实现20-30%的辐射能转换效率。上述研究优化并系统验证了 LTD模块和单元技术的重频运行能力,深入揭示了 LTD驱动器与Z箍缩负载的耦合特性,可为大型Z箍缩驱动器的设计和优化提供有益参考。基于真空传输线的LTD驱动器设计,避免了传统的绝缘子闪络问题的制约,可实现驱动器的重复频率运行,可望为Z箍缩驱动聚变能的研究提供一个重要的实验平台。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL631.22
【部分图文】：

每根金属丝各自出现互不相干的轴向不稳定性，对于整个丝阵而言，不稳??定性扰动的程度随丝根数的增加而减小。??图丨．２?４３５根４ｎｍ钨丝组成的单层丝阵ｎ??Ｓａｎｆｏｒｄ等人在Ｓａｔｕｒｎ装置上的研究表明１２’１３’１４，存在一个丝间距的临界值（？１１１１１１１），??当丝间距小于临界值时，Ｘ射线辐射功率急剧增大；同时，使用最多达９０根丝的实验??研究发现，随着丝数的增加（丝间距减小），不仅辐射功率上升，且Ｘ射线脉冲更为尖??锐，如图１．３所示。??■?￣；?６１??

Ｚ装置上使用动态黑腔负载获得了最高２３０±１８ｅＶ的黑腔辐射场｜９，其泡沫柱直径由??初始的５ｍｍ压缩至最终的０．８ｍｍ。Ｂａｉｌｅｙ等人在Ｚ装置上使用动态黑腔和ＩＣＦ靶丸进??行了实验研究＇?其负载和靶丸构型如图１．５所示。嵌套丝阵使用７．５ｇｍ钨丝制成，外??层直径４ｃｍ，含２４０根丝，内层直径２ｃｍ，含１２０根丝，长１２ｍｍ。泡沫柱直径６ｍｍ，??长１２ｍｍ，碳氧材料。耙丸直径１．６ｍｍ，内部充２．６ａｔｍ的ＣＤ４气体。??图１．６为实验观察到的黑腔和靶丸压缩过程图像。钨等离子体打到泡沫材料表面，??在泡沫柱内形成向轴线传播的高温高压冲击波，同时，辐射场以远快于冲击波的速度向??内传播并迅速均匀化。在均匀辐射场作用下，ＩＣＦ靶丸表层烧蚀并内爆，产生热核聚变。??泡沫柱压缩过程近似匀速，持续时间？８ｎｓ，运动速度为０．３２５ｍｍ／ｎｓ，靶丸压缩过程持续??时间？３ｎ＾Ｘ射线光谱学诊断得到，靶丸最高辐射温度？ＩｋｅＶ，等离子体密度？３ｘｌ〇２３ｃｎＶ３。??实验测量得到的ＤＤ中子产额最高为３．５ｘｌ〇ｎ。??３??

??图１．５?Ｚ箍缩丝阵驱动的动态黑腔和１ＣＦ靶丸??￣￣ｓｈｏｃＫ￣￣＾Ａ??丨”咖Ｉ?ｊ＼??ＳｆｉＳＳＩ?ｆ＼??團Ｍ：??ＯＭ：??■?ａＡ：??２?．Ｉ?Ｘ（ｍｍ）?１?２??图１．６靶丸压缩图像??由于Ｚ箍缩驱动的惯性约束聚变具有能量效率高、经济成本低、可重复运行等优点，??被认为是一种极有潜力的聚变能源开发技术途径。ＳＮＬ的研宄认为２１，要实现高增益的??热核聚变，需要Ｚ箍缩产生Ｘ射线辐射密度约为ｌＯＭＪ／ｃｍ。根据图１．?７所示的能量定??标率曲线，需要驱动器输出电流５６ＭＡ，传送至Ｚ箍缩负载的总电能为１４ＭＪ，聚变靶??丸吸收的辐射能为２．４ＭＪ，产生聚变放能５３０ＭＪ。针对惯约聚变能源（ＩＦＥ），需要驱动??器输出电流９５ＭＡ，传送至负载的电能为４２ＭＪ，靶丸吸收７．２ＭＪ，聚变放能４．６ＧＪ。??４??
【参考文献】

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本文编号：2859759