磁化靶聚变等离子体电磁内爆压缩模拟研究

发布时间：2023-03-07 19:45

　　磁惯性约束聚变(Magneto-inertial fusion,MIF)是介于惯性约束聚变(Inertial confinement fusion,ICF)和磁约束聚变(Magnetic confinement fusion,MCF)的一种“中间”方案。MIF的原理是利用高速运动的材料压缩加热磁化等离子体靶以达到聚变点火条件,相对于磁约束聚变而言,其具有较高密度、较短的约束时间,压缩加热为等离子体的加热方式;相对惯性约束聚变,其内嵌于等离子体靶中的强磁场可以提高Alpha粒子的能量沉积,降低电子的热传导,等离子体靶的点火参数较低,磁场的约束效应降低了压缩过程对驱动器的要求。基于反场构型(Field-reversed Configuration,FRC)等离子体靶结构的磁惯性约束聚变,也称为磁化靶聚变(Magnetized target fusion,MTF),以大电流磁驱动固体套筒内爆压缩方式实现聚变点火。目前,国际上对FRC等离子体靶压缩问题的研究主要集中在理论与模拟方面,实验方面进展缓慢,已经开展的实验研究中,只对磁场压缩能力进行了测试和评估,并没真正的加入等离子体靶。本论文,首先...

【文章页数】：138 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 论文的选题背景、研究目的和意义
    1.2 本论文主要内容
    1.3 本论文研究工作的创新点
    1.4 后续工作展望
第二章 磁惯性约束聚变国内外研究现状
    2.1 磁惯性约束聚变方案及实验装置
        2.1.1 磁化套筒惯性聚变(Magnetized liner inertial fusion,MagLIF)
            2.1.1.1 标准磁化套筒惯性聚变
            2.1.1.2 高增益磁化套筒惯性聚变(High-Gain MagLIF)
            2.1.1.3 MagLIF实验进展
            2.1.1.4 激光驱动MagLIF
        2.1.2 激光驱动内爆压缩磁化靶聚变( M-ICF)
            2.1.2.1 激光驱动压缩磁化靶聚变原理
            2.1.2.2 激光驱动压缩磁化靶聚变实验研究进展
        2.1.3 等离子射流驱动磁化靶聚变
            2.1.3.1 等离子体射流驱动磁化靶聚变
            2.1.3.2 等离子体射流实验研究进展
        2.1.4 液态套筒压缩融合靶聚变
            2.1.4.1 液态套筒压缩磁化靶聚变概念
            2.1.4.2 液态套筒压缩实验进展
        2.1.5 MAGO
            2.1.5.1 MAGO方案简介
            2.1.5.2 MAGO实验研究进展
        2.1.6 FRC磁化靶聚变
            2.1.6.1 FRC磁化靶聚变方案
            2.1.6.2 FRC靶的形成实验
            2.1.6.3 FRC磁化靶集成实验进展
    2.2 磁惯性约束聚变理论与模拟程序研究
第三章 磁化靶聚变原理及方案
    3.1 反场构型的形成过程
        3.1.1 反场构型预电离及磁重联
            3.1.1.1 预电离过程
            3.1.1.2 端部磁重联方式
        3.1.2 反场构型的平衡位型
        3.1.3 FRC等离子体磁流体不稳定性
            3.1.3.1 旋转不稳定性
            3.1.3.2 倾斜不稳定性
    3.2 “荧光-1”实验装置
        3.2.1 “荧光-1”装置分时放电能源系统
        3.2.2 “荧光-1”实验装置诊断技术
第四章 弹塑性反应磁流体力学程序SSS-MHD拓展
    4.1 FRC等离子体勒轴向压缩
        4.1.1 FRC等离子体轴向压缩的形成
        4.1.2 轴向压缩模型
            4.1.2.1 FRC等离子体分界面长度
            4.1.2.2 FRC等离子体轴向压缩速度
    4.2 FRC等离子体物理模型
        4.2.1 基本方程组
            4.2.1.1 固体套筒的磁流体力学方程
            4.2.1.2 FRC等离子体的磁流体力学方程
        4.2.2 等离子体MHD方程组的离散格式
    4.3 SSS-MHD等离子体区关键问题处理
        4.3.1 等离子体的初始状态
        4.3.2 等离子体物态方程处理
        4.3.3 等离子体区与套筒区的磁场耦合
    4.4 SSS-M HD程序结构和新增物理量
        4.4.1 SSS-MHD程序流程图
        4.4.2 新增变量
第五章 FRC等离子体靶的平衡状态
    5.1 FRC等离子体内部磁场测量
        5.1.1 磁探针阵列设计
        5.1.2 磁探针可靠性测试
        5.1.3 FRC等离子体靶形成过程中磁场的测量
        5.1.4 FRC等离子体靶形成模拟与实验对比
            5.1.4.1 FRC等离子体形成模拟
            5.1.4.2 实验与模拟对比
            5.1.4.3 小结
    5.2 FRC等离子体平衡及数值模拟
        5.2.1 FRC等离子体平衡物理模型
        5.2.2 FRC-GS代码及模拟结果
            5.2.2.1 FRC-GS程序一维模拟结果
            5.2.2.2 FRC磁场二维分布
            5.2.2.3 总结与讨论
第六章 Alpha粒子的能量沉积问题
    6.1 单粒子轨道理论模型
    6.2 数值模拟结果
        6.2.1 Alpha粒子的能量沉积率与磁场的依赖关系
        6.2.2 Alpha粒子的损失方式转换
        6.2.3 等离子体密度对能量沉积的影响
        6.2.4 总结与讨论
第七章 固体套筒内爆模拟
    7.1 固体套筒电磁内爆模拟
        7.1.1 铝套筒计算模型的参数
        7.1.2 固体套筒内爆模拟结果与实验结果对比
        7.1.3 固体套筒状态参量
        7.1.4 磁场和电流密度变化
    7.2 固体套筒内爆撞靶模拟
        7.2.1 套筒撞靶过程
        7.2.2 驱动套筒磁场的冲击压缩
        7.2.3 应力波的加卸载过程
    7.3 总结
第八章 磁化等离子体靶内爆压缩
    8.1 初始参数设置及程序标定
        8.1.1 等离子体与套筒初始参数
        8.1.2 固体套筒的内爆过后及磁场的压缩历程
    8.2 FRC等离子体靶的内爆压缩模拟
        8.2.1 带有Alpha粒子自加热的等离子体压缩
        8.2.2 Alpha粒子的能量约束
            8.2.2.1 Alpha粒子的能量输运过程
            8.2.2.2 Alpha粒子能量沉积功率
            8.2.2.3 局域自加热和非局域自加热
        8.2.3 FRC等离子体刮离层端部效应
        8.2.4 FRC等离子体燃烧
            8.2.4.1 等离子体密度、温度及能量压缩过程
            8.2.4.2 FRC等离子体燃烧过程
    8.3 压缩过程中套筒的状态
        8.3.1 套筒状态参数的分布及压缩历史
        8.3.2 套筒混合构型的电流密度及磁场分布
    8.4 总结
第九章 总结与展望
    9.1 本论文的研究结果
        9.1.1 弹塑性反应磁流体力学程序SSS-MHD计算功能拓展
        9.1.2 FRC等离子体内部磁场的诊断以及平衡构型的模拟
        9.1.3 Alpha粒子能量沉积的单粒子理论分析
        9.1.4 磁驱动固体套筒内爆模拟
        9.1.5 磁驱动固体套筒内爆压缩FRC等离子体靶
    9.2 本论文的创新点
    9.3 研究工作展望
参考文献
博士期间论文发表及学术活动
致谢



本文编号：3757773