《電漿旋轉對磁化靶聚變點火的影響》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由王小光擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：電漿旋轉對磁化靶聚變點火的影響
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王小光
- 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
除了傳統的磁約束和慣性約束聚變，磁-慣性約束聚變在國內外開始受到越來越多的關注。基於反場構型的磁化靶聚變是一種磁-慣性約束聚變，它主要利用內爆的導體套筒壓縮反場構型靶實現聚變反應。反場構型形成時在環向方向上會自發旋轉，在徑向壓縮過程中旋轉速度隨著壓縮逐漸增大。旋轉產生的離心力可能會阻礙反場構型靶電漿壓縮，進而降低聚變反應效率。同時當旋轉速度超過一定閾值時可能激發n=2模旋轉不穩定性導致反場構型破裂影響聚變點火過程。我們將用數值方法研究反場構型靶壓縮過程中旋轉速度演化和旋轉對反場構型靶壓縮效率的影響；結合迴旋粘滯理論模型分析壓縮過程中n=2模旋轉不穩定性線性增長率；探索壓縮過程中套用外部磁場控制n=2模旋轉不穩定性和旋轉速度方法。本項目研究工作將推進人們理解旋轉對磁化靶聚變的影響，促進磁化靶聚變研究的發展。
結題摘要
基於反場構型（FRC）靶磁化靶聚變，主要利用Z箍縮技術內爆固體套筒壓縮反場構型靶等離子團到達聚變點火條件。在FRC靶形成時電漿會自發旋轉，隨著套筒壓縮FRC逐漸增大。而旋轉離心力可能會影響套筒壓縮FRC靶動力學效率，降低聚變反應率。在原套筒壓縮FRC靶一維物理模型基礎上考慮旋轉離心力效應，拓展和升級開源拉式三溫電阻磁流體程式DEIRA使其具備開展相關研究能力。利用DEIRA程式我們進一步分析一維物理模型的適用性，最佳化FRC靶初始參數，並研究不同旋轉速率對內爆壓縮FRC靶的影響。研究發現當合理改變絕熱係數時，套筒壓縮FRC靶一維物理模型可以獲得與Spencer理論模型一致的結果。當固體套筒厚度0.07cm最大內爆速度0.03cm/μs和FRC外部磁場2.83T時，最優FRC靶初始溫度約為250eV。旋轉速率小於3*10^7rad/s時可以忽略旋轉離心力的影響。但是,旋轉速率大於該值時離心力會導致套筒無法內爆壓縮FRC。n=2模旋轉不穩定性（RI）非線性發展可能會導致FRC靶破裂。磁化靶聚變概念中在FRC靶等離子團破裂前完成有效的內爆壓縮是實現聚變點火的關鍵之一。本項目建立可壓縮磁流體物理模型並拓展升級數值程式PLUTO，採用數值方法開展研究靜態FRC靶以及動態壓縮過程中FRC靶的n=2旋轉不穩定性非線性發展工作。研究發現當對於靜態FRC靶旋轉速率為1*10^6rad/s 時n=2由線性到非線性發展直至電漿團“破裂”時間約9μs要遠小於套筒內爆時間25μs。對於動態壓縮FRC靶n=2旋轉不穩定性開始增長到電漿團“破裂”時間為4.5μs，FRC靶未獲得有效的壓縮。當旋轉速小於1*10^5rad/s可以明顯減弱旋轉不穩定性的發展，能夠獲得相對有效的壓縮。本項目首次數值了電漿旋轉離心力以及旋轉導致的n=2不穩定性對磁化靶聚變中套筒壓縮FRC靶動力學影響。本項目的研究結果使人們進一步認識固體套筒內爆壓縮FRC靶的動力學，部分解釋了2013年美國海軍實驗室中未觀測到套筒有效壓縮FRC靶想像。本項目結果一定程度上推動了磁化靶聚變研究領域發展，能夠為磁化靶概念的物理設計提供相應的物理參考。
