基于聚龙一号的磁化固体套筒内爆动力学研究

Magnetized liner inertial fusion concept is a promising approach to inertial confinement fusion, which consists of three basic concepts including magnetization of solid liner and fuel, pre-heating of fuel and implosion of solid liner driven by pulsed power. One of the key questions is the influence of axial magnetic field on the implosion characteristics of liner. Besides, the Primary Test Stand ("JULONG-1") facility, the largest pulsed power driver available recently in China, has been under run, which is suitable for experiments related with magnetized liner inertial fusion. This proposal will investigate the implosion characteristics of magnetized liner, including the influence of axial magnetic field on the formation and evolution of helix-structure of Magneto-Rayleigh-Taylor instability, the influence of axial magnetic field on implosion velocity, convergence ratio and energy coupling efficiency. Experiments of liner implosion will be carried out on PTS facility in order to validate the scheme of mitigation of MRT instability and enhancement of implosion velocity, which is proposed based our theory.

磁化套筒惯性聚变是一种颇具前景的惯性约束聚变方案，其基本内涵包括：套筒及燃料磁化、燃料预加热、固体套筒内爆。其关键物理问题之一是预制的轴向磁场对套筒内爆动力学特性的影响。另一方面，国内最大的电磁驱动实验平台-聚龙一号已投入运行，可开展与磁化套筒惯性聚变相关的研究。以此为需求背景，本项目拟重点研究磁化套筒的内爆动力学特性，包括：磁瑞利-泰勒不稳定性螺旋型结构的生成及演化、预制轴向磁场对套筒内爆速度、压缩比以及能量耦合效率的影响。根据本项目的理论研究成果提出抑制磁瑞利-泰勒不稳定性发展和提高内爆速度的实验方案，最后将在聚龙一号装置上开展实验验证。

磁化套筒惯性聚变是结合了磁约束聚变与惯性约束聚变二者特点，在实验室条件下产生接近核爆炸过程高能量密度状态、创造进行聚变点火和自持燃烧研究的一种新技术途径和手段。为了掌握磁化套筒内爆的基本物理过程和规律，建立磁化套筒内爆的实验技术和能力，本研究基于大电流装置，开展了磁化套筒内爆的一系列研究，包括套筒内爆过程理论和计算、套筒负载设计和研制、轴向磁化线圈系统研制、套筒内爆实验以及相关诊断技术等。.本项目利用零维模型初步预估了套筒负载参数和驱动电流参数的变化对套筒内爆过程的影响趋势，为套筒负载设计和内爆实验的实施提供了初步的理论依据，并开展了一维磁化套筒惯性聚变模拟程序的设计与校验[1]，利用单粒子轨道理论和模型研究了轴向磁场引起的螺旋型不稳定性。在实验研究方面，基于大电流装置，开展了长脉冲和快脉冲两种驱动条件下的固体铝套筒和薄箔铝套筒的内爆动力学现象规律研究。针对快脉冲电流驱动的铝箔套筒（直径约10mm、厚度约2μm、）内爆实验表明，箔套筒等离子体内爆与丝阵等离子体的一个显著差异，箔套筒内爆轨迹与零维模型轨迹相一致，但早期箔套筒保持原位不动且表面存在明显的轴向条纹，预示着早期电流通道并非均匀的分布，这一早期出现的轴向调制结构很有可能为后续内爆MRT不稳定性提供了扰动种子，同时后续的激光阴影图像中明显观测到箔套筒等离子体边界形貌的演变和较为完整的MRT不稳定性发展过程。在基于长脉冲电流驱动的固体铝套筒实验中（上升前沿约600 ns、峰值约5 MA，套筒直径约6mm、厚度150 μm、线质量密度约100 mg/cm），套筒在内爆过程中有明显被压缩，套筒外界面的不稳定性波长和幅值随着电流的增加而增加，其中不稳定性幅值对套筒附近区域内的磁场强度有明显的依赖性；套筒内界面在电流上升的中后阶段开始向轴心运动，并在电流峰值时刻后达到最大值约10 km/s；在预制扰动的固体套筒内爆中，套筒外界面的不稳定性在最初可能是由表面烧蚀而产生的射流，也可能是包含热压导致的喷流和MRT不稳定性的共同作用结果。.本项目通过对磁驱动固体套筒内爆动力学研究，发展了零维理论和一维模型，获取了不同驱动脉冲电流下套筒的外界面内爆过程图像、内界面速度、负载电流等相关定性数据，对固体套筒内爆过程和不稳定性发展规律有了一定认识和理解；同时，掌握了套筒负载研制、预磁化加载、物理参量诊断等实验相关技术，初步具备了磁化固体