“非柱形”Z箍缩动态黑腔内爆动力学研究及其优化设计

As a possible scheme for driving DT target to the ignition condition, the z-pinch dynamic hohlraum (DH) system has proved valuable and efficient. A non-columned z-pinch DH system, which is based on the concept of quasi-spherical z-pinch implosion, is proposed by American and Russian scholars to improve the DH energy transfer efficiency by concentrating implosion dynamic energy to the center and impact the concentric foam convertor in three dimensions. Unfortunately, the research is frozen until recently we developed a proper technology to make wire arrays implode quasi-spherically on today’s fast z-pinch accelerators, which provide a feasible implosion source to the future non-columned z-pinch DH system. In this project, we are trying to investigate the dynamics of concentrating implosion, designation of foam convertor with non-columned configuration, and the parameter matching relation between the wire-array and the foam convertor. These are key issues to the non-columned z-pinch DH designation, and are helpful to improve our understanding on DH physics.

近二十年，Z箍缩动态黑腔作为一种用于驱动惯性约束聚变点火的可能技术途径得到广泛的关注和研究。为了降低点火所需驱动条件，美、俄学者曾提出一种基于准球形内爆的“非柱形”动态黑腔，希望通过内爆能量的聚心加载提高黑腔辐射场温度。然而，已有的聚心内爆方法源自磁化靶设计，并不适合现有Z箍缩实验平台，相关研究因此进展缓慢。近年来，国内团队发展了一种新的准球形内爆方法，且获得实验的初步验证，为“非柱形”动态黑腔设计提供了一种可能的内爆加载源，为推动该领域研究的发展奠定了基础。基于这一现状，本课题拟从理论和数值模拟的角度，围绕丝阵负载聚心内爆动力学、泡沫转换体优化设计、以及“丝阵－泡沫”参数匹配关系等影响“非柱形”动态黑腔设计的关键物理问题展开研究。初步掌握此类黑腔的内爆动力学图像和设计方法，提出利用“聚龙一号”装置开展相关验证性实验的设想和方案，为Z箍缩动态黑腔的优化设计提供有价值的参考和依据。

在充分调研和分析的基础上，我们认为现有技术条件下使用经特殊设计的丝阵负载实现准球形内爆，是目前最具潜力、可行性最高的“非柱形”动态黑腔设计思路。准球形电磁内爆可以将能量聚心加载到中心泡沫转换体上，以获得较柱形动态黑腔更高的能量加载密度和黑腔辐射场温度。以准球形动态黑腔为代表的“非柱形”设计方案并不鲜见，但受制于负载制备技术和实验平台驱动能力的限制，这些方法并未引起足够重视。为此，我们立足于金属丝阵的机械体电和加工工艺，提出便于实现的“准球形”丝阵内爆方法，并以驱动动态黑腔为目标，从“丝阵”内爆品质和不稳定性、“丝阵－电极”相互作用、“丝阵－泡沫”耦合设计三方面入手，对“准球形”动态黑腔的设计优化方法进行了讨论。为了开展上述理论研究和数值模拟分析，建立并完善了零维薄壳模型、多质点模型和二维磁流体力学（MHD）模型，并研发了相应的数值模拟程序。研究发现，准球形电磁内爆的动能分布不均，通过改变电极形状可以对其进行优化。内爆等离子体同泡沫转换体作用的同步性同负载的初始状态有关。为满足同步性要求，对负载初始形状的控制精度需要达到0.1mm。准球形电磁内爆过程中的MRT不稳定性发展不仅会造成内爆总能量的下降，同时还会导致加载时间的延长，不利于提高能量加载效率。模拟发现，在碰撞机制假设下，使用双层负载能够提高内爆的稳定性，改善能量的加载过程。此外，完成了“Angara5-1”和“聚龙一号”驱动器准球形电磁内爆实验的负载设计，为后续开展3-10MA驱动电流条件下的准球形动态黑腔实验研究提供了参考。