等离子体旋转对磁化靶聚变点火的影响

In addition to traditional magnetic confined fusion (MCF) and inertial confined fusion (ICF), the magneto-inertial fusion (MIF) gets more and more attention across the world. The field- reversed configuration (FRC) based magnetic target fusion (MTF) is one of MIF concepts, where the FRC target is compressed to fusion condition utilizing an imploding conductive liner. The plasma will spin up in the toroidal direction when FRC is produced by advanced θ-pinch discharge technique. FRC’s rotation frequency will increase during its radial compression. The centrifugal force due to rotation could prevent FRC from being compressed, resulting in decrease of fusion reaction ratio. And the n=2 mode rotation instability (RI) could occur when FRC’s rotation frequency is beyond one threshold, possibly leading to disruption of FRC. FRC’s rotation has impact effect on ignition of MTF. In this project, we will investigate evolution of FRC’s rotation and its effect on FRC’s compression efficiency, analyses linear growth rate of n=2 mode RI combining with gyro-viscous model and explore the method to control n=2 mode RI and FRC’s rotation by applied field during compression of FRC. Our researches may enhance the understandings on effect of rotation on ignition of MTF and promote the development of study about MTF.

除了传统的磁约束和惯性约束聚变，磁-惯性约束聚变在国内外开始受到越来越多的关注。基于反场构型的磁化靶聚变是一种磁-惯性约束聚变，它主要利用内爆的导体套筒压缩反场构型靶实现聚变反应。反场构型形成时在环向方向上会自发旋转，在径向压缩过程中旋转速度随着压缩逐渐增大。旋转产生的离心力可能会阻碍反场构型靶等离子体压缩，进而降低聚变反应效率。同时当旋转速度超过一定阈值时可能激发n=2模旋转不稳定性导致反场构型破裂影响聚变点火过程。我们将用数值方法研究反场构型靶压缩过程中旋转速度演化和旋转对反场构型靶压缩效率的影响；结合回旋粘滞理论模型分析压缩过程中n=2模旋转不稳定性线性增长率；探索压缩过程中应用外部磁场控制n=2模旋转不稳定性和旋转速度方法。本项目研究工作将推进人们理解旋转对磁化靶聚变的影响，促进磁化靶聚变研究的发展。

基于反场构型（FRC）靶磁化靶聚变，主要利用Z箍缩技术内爆固体套筒压缩反场构型靶等离子团到达聚变点火条件。在FRC靶形成时等离子体会自发旋转，随着套筒压缩FRC逐渐增大。而旋转离心力可能会影响套筒压缩FRC靶动力学效率，降低聚变反应率。在原套筒压缩FRC靶一维物理模型基础上考虑旋转离心力效应，拓展和升级开源拉式三温电阻磁流体程序DEIRA使其具备开展相关研究能力。利用DEIRA程序我们进一步分析一维物理模型的适用性，优化FRC靶初始参数，并研究不同旋转速率对内爆压缩FRC靶的影响。研究发现当合理改变绝热系数时，套筒压缩FRC靶一维物理模型可以获得与Spencer理论模型一致的结果。当固体套筒厚度0.07cm最大内爆速度0.03cm/μs和FRC外部磁场2.83T时，最优FRC靶初始温度约为250eV。旋转速率小于3*10^7rad/s时可以忽略旋转离心力的影响。但是,旋转速率大于该值时离心力会导致套筒无法内爆压缩FRC。n=2模旋转不稳定性（RI）非线性发展可能会导致FRC靶破裂。磁化靶聚变概念中在FRC靶等离子团破裂前完成有效的内爆压缩是实现聚变点火的关键之一。本项目建立可压缩磁流体物理模型并拓展升级数值程序PLUTO，采用数值方法开展研究静态FRC靶以及动态压缩过程中FRC靶的n=2旋转不稳定性非线性发展工作。研究发现当对于静态FRC靶旋转速率为1*10^6rad/s 时n=2由线性到非线性发展直至等离子体团“破裂”时间约9μs要远小于套筒内爆时间25μs。对于动态压缩FRC靶n=2旋转不稳定性开始增长到等离子体团“破裂”时间为4.5μs，FRC靶未获得有效的压缩。当旋转速小于1*10^5rad/s可以明显减弱旋转不稳定性的发展，能够获得相对有效的压缩。本项目首次数值了等离子体旋转离心力以及旋转导致的n=2不稳定性对磁化靶聚变中套筒压缩FRC靶动力学影响。本项目的研究结果使人们进一步认识固体套筒内爆压缩FRC靶的动力学，部分解释了2013年美国海军实验室中未观测到套筒有效压缩FRC靶想象。本项目结果一定程度上推动了磁化靶聚变研究领域发展，能够为磁化靶概念的物理设计提供相应的物理参考。