强磁场对磁惯性约束聚变等离子体燃烧传播影响的研究

The magneto-inertial fusion (MIF) is a new potentially low cost path to achieve fusing plasma, of which the plasma densities and lifetimes fall in between those created by magnetic confinement fusion energy (MCF) and inertial confinement fusion energy (ICF) methods. In MIF, the preheated and magnetized plasma target is compressed to the fusion igniting conditions. The fusion energy gain and yields is enhanced by high magnetic field, while the transport of plasma is depressed by high magnetic field. Based on the SSS-MHD code, the present project is to study the high magnetic field effects in including the effect on the, the limitation to the propagation of burning waves, the energy deposition of alpha particle. And also, the effect induced by cyclotron radiation energy lose on the self-heating of heat spot is investigated. The goal of the present project is to obtain the exact physical picture about the effect of high magnetic field on the magnetized plasmas.

磁惯性约束聚变(magneto-inertial fusion,简称“ MIF”)是介于惯性约束聚变和磁约束聚变之间的一类新兴的中间状态聚变方案，其核心思想是采用预先加热和磁化的等离子体靶，并进行惯性压缩以实现聚变点火。惯性压缩之后，形成超强的磁场，会在一定程度上限制磁惯性约束聚变等离子体的燃烧传播，本研究项目基于现有的一维反应磁流体程序（Simplified Stretch Sin MHD,简称“SSS-MHD”）,主要研究强磁场对于磁惯性约束聚变等离子体燃烧传播物理过程的影响，包括：（1）强磁场背景下等离子体燃烧传播的临界条件；（2）磁场对alpha粒子能量沉积的影响；（3）探索强磁场背景下，回旋辐射损失对磁化等离子体靶中热斑自持加热过程的影响。通过本项目研究，对磁惯性聚变中强磁场环境下等离子体的自持燃烧问题进行深入的探究，进而获得强磁场对磁惯性聚变等离子体燃烧特性影响的规律性认识。

强磁场虽然很好地约束了等离子体，但是又会抑制Alpha粒子向低温区域的扩散，有可能限制磁惯性约束等离子体的燃烧传播。因此，为了深入理解强磁场对磁惯性约束聚变中等离子体燃烧传播的影响过程并充分认识强磁场在磁惯性约束聚变过程中的积极作用，在项目经费支持下，完成了用于磁惯性约束聚变内爆压缩模拟研究的一维弹塑性反应磁流体力学程序SSS-MHD，研究了强磁场对磁惯性约束聚变等离子体燃烧传播的影响，研究了磁驱动固体套筒内爆压缩等离子体靶的过程，分析了磁化DT等离子体在不同压缩阶段的特性、等离子体靶内部强磁场的形成，给出了强磁场背景下Alpha粒子在等离子体中能量沉积分布特点、Alpha粒子能量损失方式、等离子体靶中心的燃烧过程。研究结果显示，压缩后的等离子体内部强磁场会改善等离子体的自加热效率，同时限制等离子体燃烧波的传播，强磁化燃烧波传播的临界条件是：压缩峰值状态等离子体温度大于8.5keV，等离子体磁场与靶半径乘积大于100T cm。磁惯性约束聚变等离子体的强磁场效应属于基础性研究，研究结果对磁惯性约束聚变等离子体点火条件及燃烧传播等关键性问题的机理和图像有了深入地认识和理解，为新型聚变能源途径探索提供参考。