MagLIF构型中套筒内爆初始扰动种子形成机制及其演化研究

Z-pinch driven magnetized liner inertial fusion(MagLIF) is very efficient to convert the stored electrical energy in pulsed power generator into fusion energy, showing the great potential in fusion application. The liner disruption caused by instability development in liner implosions is a key issue to determine whether the MagLIF can be accomplished. In this project we concentrate on the researches of two physical problems. One is the generation of initial liner perturbation seeds due to the electrothermal instability, the other is the liner disruption in the acceleration phase due to the MRT development of initial perturbation seeds. Firstly, a cold-start model to describe the production process of liner plasmas from the solid state to the plasma state is developed, and the initial temperature/density perturbation is used to represent the inherent liner surface roughness or small perturbation. The amplitude increase, saturation and mode conversion of initial perturbations are analyzed using two dimensional MHD simulations, and the profiles of initial perturbation seeds in liner implosions can also be obtained. Secondly, the time evolution and characteristics of initial perturbation seeds in liner acceleration phase are investigated using theoretical analysis and numerical simulations. The disruption condition of the liner is specifically examined. The possible methods and optimal load designs to avoid the disruption are carefully researched. It is expected that the dynamics of liner implosions can well be understood by fulfilling this project, and a preliminary design of liner experiments on the ~8MA Julong-I facility can be provided.

基于脉冲功率技术的Z箍缩磁化套筒惯性聚变(MagLIF)可以实现电储能到聚变放能的高效率转换，在聚变应用方面具有巨大潜力。套筒Z箍缩内爆过程中由于不稳定性发展导致的套筒破裂是决定MagLIF成败的关键之一。本项目围绕快脉冲强电流条件下由于电热不稳定性形成套筒内爆初始扰动种子、套筒内爆加速过程中初始扰动种子由于MRT不稳定性发展导致套筒破裂两个问题出发，通过建立可以描述金属套筒从固态到等离子体的冷起点模型，采用温度/密度扰动表征套筒固有的表面粗糙度和小扰动，开展二维数值模拟研究，分析扰动增长、饱和及模式变化，获得套筒内爆初始扰动种子状态分布。在此基础上，结合解析理论分析和数值模拟，深入研究套筒内爆加速过程中初始扰动种子的时间演化，考察套筒等离子体破裂的条件、可能的避免方法和参数优化设计。希望本项目的顺利实施，可以深化MagLIF套筒动力学问题的理解，并为聚龙一号装置相关实验验证提供物理设计。

MagLIF是驱动ICF的重要技术途径之一，套筒内爆不稳定性是决定MagLIF成败的关键问题之一。项目围绕套筒初始扰动种子形成机制及内爆加速阶段不稳定性演化规律两个关键问题，通过发展描述金属套筒从固态到等离子体的冷起动模型，开展二维数值模拟，研究清楚了电热不稳定性发展产生初始扰动种子的物理机制；基于解析理论和数值模拟，研究清楚了内爆加速阶段初始扰动种子由于MRT不稳定性机制增长、饱和及模式变化的物理过程，并通过设计实验验证了关于扰动发展规律的物理认识，为MagLIF物理设计提供了技术支撑。.采用MPQEOS状态方程、Lee-More电阻率耦合Zeus-2D程序，发展了基于冷启动模型的二维数值模拟能力。基于电阻磁流体力学模型，分别发展了二维欧拉磁流体力学/辐射磁流体力学程序，建立了Z箍缩套筒内爆不稳定性数值模拟能力；通过理论推导获得了无加速条件下套筒内爆早期不稳定性色散关系，认识了电热不稳定性、理想MHD不稳定性以及外加轴向磁场影响初始扰动种子形成的物理机制。基于二维模拟，采用添加初始温度扰动的方法，获得了电热不稳定性发展产生初始扰动种子的物理图像，特征扰动波长数十微米，薄套筒实验验证了这一物理认识；推导了可压缩近似下三区模型MRT不稳定性色散关系，获得了扰动增长率随扰动波长、外加磁场等参数的变化规律；开展单模、双模和多模耦合数值模拟研究，获得了MRT不稳定性在线性、非线性以及非线性饱和阶段的发展规律，发现由于逆级联耦合过程短波长发展为长波长扰动，影响套筒内爆品质。获得了不同电流上升时间下不稳定性发展变化规律，上升时间越长，优化负载半径越大，不稳定性发展越强。探索了外加轴向磁场、预置密度分布改善不稳定性发展的方法；在7~8MA装置上设计了两类不稳定性实验，主要实验结果定量验证套筒内爆不稳定性物理认识；初步探索了由于不稳定性发展导致的燃料混合效应对MagLIF聚变放能的影响。.发表学术论文11篇，参加国内外会议10余次并做3次邀请报告。作为核心成员参与主办了Z箍缩领域最重要的DZP2019国际会议。培养研究生2名。