新型厚套筒Z箍缩负载初始等离子体的行为特征及其形成机理研究

The magnetized liner inertial fusion (MagLIF), which uses the imploding thick liner load to compress the magnetized fusion fuel directly, may achieve new breakthroughs in fusion researches and has been becoming one of hot issues in the Z-pinch area. However, the image on the initial plasma formation from the thick liner is still unclear, which limits the understanding of the instability developments and the axial magnetic field compression in the imploding stage, and greatly restricts the further developments of MagLIF. To solve the problem, the project will be proceeded from a new perspective, the spatio-temporal correlation between the inner and outer initial plasmas, and focus on the core problem, ionization mechanisms of the load. The researches will be carried out in the following order. Firstly, the plasma formation time, evolution dynamics, and the instability structures of the initial plasmas in the inner and outer surface will be obtained. Then, influences of liner and current parameters on the initial plasma dynamics will be investigated. And finally, numerical simulation codes describing the initial plasma formation will be established. Based on the researches above, the typical dynamics and formation mechanisms of the initial plasmas from the inner and outer surface of liner Z-pinch loads are to be revealed, especially the formation conditions of the initial plasmas around the inner surface and the developing characteristics of the electro-thermal instability around the outer surface. These prospective achievements are supposed to provide the proper theory basis and scientific backing for the developments of the MagLIF Z-pinch loads.

基于厚套筒快Z箍缩内爆直接压缩磁化聚变靶的磁化套筒惯性聚变(MagLIF)，可能实现聚变研究新的突破，是目前Z箍缩研究的热点问题之一。然而，人们对厚套筒初始等离子体形成这一关键过程的物理图像尚不清晰，限制了对内爆中不稳定性发展和轴向磁场压缩的认识，极大地制约了MagLIF研究的发展。针对该问题，本项目拟从厚套筒内外表面初始等离子体时空关联性这一新角度，抓住负载电离机理这一核心问题，从内外表面初始等离子体的形成时刻、发展过程和不稳定性结构等典型特征着手，进一步研究负载和电流参数对上述特征的影响规律，并发展描述初始等离子体形成过程的数值模拟代码。通过研究，可深入揭示和掌握百纳秒前沿电流下，厚套筒Z箍缩负载内外表面初始等离子体的行为特征及其形成机理，特别是内表面等离子体的形成条件和外表面等离子体电热不稳定性的发展特征，为推动MagLIF厚套筒Z箍缩负载的发展提供坚实的理论基础和正确的科学依据。

基于厚套筒快Z箍缩内爆直接压缩磁化聚变靶的磁化套筒惯性聚变(MagLIF)，可能实现聚变研究新的突破，是目前Z箍缩研究的热点问题之一。然而，人们对厚套筒初始等离子体形成这一关键过程的物理图像尚不清晰，限制了对内爆中不稳定性发展和轴向磁场压缩的认识，极大地制约了MagLIF研究的发展。.针对该问题，本项目主要研究厚套筒内外表面初始等离子体的行为特征、影响因素及产生机理。项目组基于“强光一号”和“秦-1”Z箍缩实验平台，系统研究了不同套筒参数和电流参数下，厚套筒负载内、外表面初始等离子体的行为特征及定量参数，特别是发展了轴向激光探针系统，从厚套筒内外表面初始等离子体时空关联性这一新角度，掌握了套筒内表面等离子体的形成时刻、发展过程。同时数值计算了厚套筒中磁扩散的过程，得到内外表面参数及热电离产生时刻，与实验结果进行比对。.特别的，直径2 mm的Al厚套筒在电流达~ 1 MA后(磁场~200 T)开始观察到外表面等离子体不稳定性的发展，外表面等离子体以流体力学不稳定性(电热不稳定性)为显著特征，等离子体密度高使得激光探针不能测到相移。不稳定性的幅值随着时间推移波长增加(数百微米)，径向对称性更为明显。厚套筒内部可观察到等离子体，等离子体出现时刻晚于外表面。.共发表SCI论文6篇，出版专著1部，在第44届国际等离子体科学大会上进行邀请报告1次，受邀在第S38次香山科学会议上进行专题报告。邀请国际著名专家来校访问4人次，入选中国科协青年人才托举工程1人，协助培养博士研究生4人。.通过研究，深入揭示和掌握百纳秒前沿电流下，厚套筒Z箍缩负载内外表面初始等离子体的行为特征及其形成机理，为推动MagLIF厚套筒Z箍缩负载的发展提供理论基础和依据。此外，本项目为百纳秒脉冲大电流与金属固体负载相互作用的其他应用场合(如：真空电传输线、磁化靶聚变等)的机理研究和工程应用提供借鉴，建立的激光轴向探针诊断系统也可为其他Z箍缩负载早期行为的研究提供了条件。