ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2008, том 34, № 10, с. 885-900
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНУСНЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ СБОРОК ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ МГД-СЖАТИЯ
© 2008 г. Е. В. Грабовский, В. В. Александров, Г. С. Волков, В. А. Гасилов*, А. Н. Грибов, А. Н. Грицук, С. В. Дьяченко*, В. И. Зайцев, С. Ф. Медовщиков, К. Н. Митрофанов, Я. Н. Лаухин, Г. М. Олейник, О. Г. Ольховская*, А. А. Самохин, П. В. Сасоров**, И. Н. Фролов
Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, Троицк, Россия * Институт математического моделирования, Институт прикладной математики РАН, Москва, Россия ** Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва, Россия Поступила в редакцию 01.02.2008 г.
Приведены результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований трехмерной динамики плазмы, которая создается при токовой имплозии конусных проволочных сборок (лайнеров) в режиме 2-пинчевого разряда при токах разряда до 3 МА на установке Ангара-5-1. В качестве нагрузок использовались конусные проволочные сборки из вольфрамовых проволок диаметром 68 мкм с углом между осью и образующей поверхностью конуса в диапазоне 15-42°. Показано, что при таких углах форма несущего ток плазменного слоя по мере приближения к оси начинает отличаться от конической формы. Проведено сравнение результатов двумерных МГД-расчетов с экспериментом. Обнаружены отличия динамики формирования плазменного предвестника при имплозии цилиндрических и конусных лайнеров. Длительность импульса рентгена монотонно растет с увеличением угла конуса, а высота излучающей части пинча монотонно уменьшается.
PACS: 52.59.Qy
1. ВВЕДЕНИЕ
В схеме вакуумного хольраума [1] с двумя пин-чами на основе использования электрофизических установок высокой импульсной мощности для зажигания термоядерной мишени с большим усилением в целях получения термоядерной энергии требуется максимальным образом увеличить мощность мягкого рентгеновского излучения (МР) при токовом сжатии многопроволочных сборок. Задача повышения мощности импульса МР, предназначенного для имплозии термоядерных мишеней при использовании 2-пинчевого драйвера требует поиска соответствующих схем имплозии многопроволочных сборок.
При радиальном сжатии цилиндрической нагрузки плотность сжатого вещества пропорциональна квадрату степени сжатия по радиусу. При радиальном сжатии сферической нагрузки плотность сжатого вещества будет пропорциональна кубу степени сжатия по радиусу.
Для повышения концентрации энергии, вложенной в мишень непрямого действия, предложена схема трехмерного квазисферического сжатия лайнера [2]. Расчеты сжатия квазисферического лайнера в этой работе сделаны без учета разделения массы проволок на практически неподвижную и на движущуюся к центру части. Для цилин-
дрического лайнера учет такого разделения согласно [3] или [4] не вызывает глобального перераспределения вещества по оси лайнера, так как осевые компоненты скорости в среднем равны нулю из-за симметрии. Для квазисферического лайнера с соответствующим распределением массы в начальный момент скорости параллельные поверхности лайнера также равны нулю. Однако интенсивность производства плазмы будет различна на разных расстояниях от оси симметрии, возможно, будет различна и направленная к центру сферы скорость вещества. Таким образом, форма слетающей со сферы плазмы, несущей ток, может отличаться от сферической. Уменьшение темпа плазмообразования перед максимумом импульса излучения не рассматривалось ни в [3], ни в [4], однако оно также может приводить к отличию формы несущей ток оболочки от сферической. Для того, чтобы компенсировать такие эффекты коррекцией начального распределения массы лайнера или иными методами, необходимо экспериментально исследовать сжатие нецилиндрических оболочек.
Экспериментальное и расчетно-теоретиче-ское исследование имплозии проволочных лайнеров различной конфигурации проводилось в [3-19]. Изучению физики сжатия цилиндрических проволочных лайнеров посвящены работы [3-11].
(а) 020 мм
(б) 020 мм
012 мм
0 5 мм
Рис. 1. Изображения осесимметричных проволочных сборок с плоским катодом (а) и с конусной вставкой на катоде (б).
Конусные проволочные лайнеры исследовались в работах [12-19], а линейные (планарные) проволочные лайнеры - в [15, 16].
Как показали проведенные исследования, динамика имплозии проволочных лайнеров сложна и не полностью изучена, а вещество лайнера проходит различные стадии перед заключительной фазой стагнации на оси [3-10]. Проволоки лайнера сначала подвергаются процессу удаления массы с проволок. На этой стадии вещество, ускоренное силой Ампера к оси лайнера, формирует столб плазмы предвестника. Из анализа изображений сжимающихся проволочных лайнеров следует, что при токовой имплозии осесимметричных проволочных сборок абляция плазмы с поверхности проволок происходит по нормали к поверхности проволок. При этом для цилиндрических сборок образующийся плазменный слой движется вдоль радиуса к оси сборки. Как только вещество проволок исчерпывается, лайнер начинает сжиматься к оси, сгребая вещество, заполнившее перед началом сжатия его внутренний объем, и наступает фаза сжатия лайнера. Наконец, когда часть массы вещества лайнера (типично порядка 50%) останавливается вблизи оси лайнера, наступает фаза стагнации. В то же время некоторая доля массы лайнера остается снаружи, на больших радиусах от оси, в виде отставшей массы ("trailing mass"). В этой фазе кинетическая и магнитная энергия термализуется и излучается в виде импульса MP за счет ряда механизмов [3-7, 10]. Взаимодействие потоков плазмы также может в существенной степени влиять на эффективность преобразования кинетической энергии в излучение.
Результаты опытов с конусными лайнерами [12-19] позволили глубже понять абляцию вещества проволок, формирование предвестника, динамику имплозии, и механизмы нагрева, присущие Z-пинчу на основе проволочных лайнеров, и
проверить понимание процесса имплозии цилиндрических лайнеров.
Конусный лайнер состоит из большого числа тонких проволок, которые устанавливаются наклонно относительно оси лайнера, образуя поверхность, близкую к конической. Разность радиусов анода и катода, деленная на высоту лайнера, определяет угол наклона проволок а относительно оси конусного лайнера, формируя усеченный конус, как показано на рис. 1. Угол конуса а отно-
. (^ап - ^сагъЛ ^
сительно оси равен а = аг^ I ———), „де -
диаметр анода; Осяй1 - диаметр катода; Н - расстояние между анодом и катодом. В данной работе представлены материалы исследования имплозии конусных сборок, у которых От > йса1Ь.
Процесс имплозии проволочных сборок в фазе абляции вещества при скоростях нарастания тока ~3-5 х 1013 А/с заключается в длительном эффективном удалении вещества проволок и перемещении его к центру сборки. При этом вблизи центральной оси одиночных сборок формируется плазменный предвестник. В работе [3] этот процесс назван "задержанным пламообразованием". Приведем оттуда формулу для скорости производства плазмы т при токовой абляции вольфрамовых проволок в схеме осесимметричной сборки (хотя в более поздних работах [20] эта формула уточняется):
m (t) = 0.2^
1.8
мкг
2 ' см нс
(1)
где ¡(г) - ток через лайнер в МА, Я0 - начальный радиус лайнера в см.
Как видно, скорость производства плазмы приближенно обратно пропорциональна квадрату радиуса. Для конусной сборки величина радиу-
са меняется по высоте. Локальное значение радиуса г(г) на расстоянии г от катода равно:
г(г) = Яса1Ь/2 + г а. (2)
При заданном токе скорость абляции вещества проволок и эффективность формирования токонесущего плазменного слоя зависят от радиуса сборки, чем меньше радиус сборки, тем выше скорость абляции.
Таким образом, скорость абляции вещества проволок для осесимметричных конусных проволочных сборок, у которых на катоде радиус меньше, чем на аноде (см. рис. 1), будет зависеть от ординаты г вдоль оси сборки и угла конуса а относительно оси конуса
т (г)-(ЯС£йМе/2 + г а)-2. (3)
Поэтому имплозия конусного лайнера отличается от имплозии цилиндрического лайнера. За счет изменения межпроволочного расстояния вдоль оси конусного лайнера и азимутального магнитного поля на проволоках на разной высоте возникает радиальная компонента тока. Эти особенности делают такой лайнер полезным инструментом для изучения физических явлений на различных фазах процесса формирования 2-пинча на основе проволочных лайнеров.
Исследование имплозии конусных проволочных лайнеров и возникающих при этом трехмерных гидродинамических эффектов можно рассматривать как шаг к расчетно-теоретическому описанию и разработке квазисферического холь-раума.
Данная работа направлена на исследование процессов и эффектов при имплозии конусных проволочных лайнеров и посвящена изучению влияния величины угла конуса осесимметричных конусных проволочных сборок на процесс имплозии при формировании излучающего 2-пинча.
Целями данной работы являлись:
1. Экспериментальное исследование скорости производства плазмы для конусных осесимметричных сборок и ее влияния на отличия формы токовой оболочки от первоначальной.
2. Определение формы предвестника для конусных сборок.
3. Изучение распределения интенсивности излучения 2-пинча на фазе стагнации и динамики эмиссии рентгена для конусных сборок.
4. Разработка расчетно-теоретических моделей описания имплозии вещества конусных сборок и анализ соответствия расчетных значений величин, характеризующих процесс формирования пинча, измеряемым в эксперименте параметрам (профиль мощности выходного рентгена, падение напряжения на конусной сборке).
Работа содержит пять разделов. Раздел 1 -Введение. В разд. 2 представлена постановка исследований: типы конусных проволочных лайнеров, некоторые детали установки и диагностики. Приводятся ссылки на комплекс программ, использованных в расчетно-теоретическом исследованиях имплозии конусных лайнеров. В разд. 3 изложены полученные результаты о форме плазменного предвестника, о интенсивности производства плазмы, о разделении зоны свечения 2-пинча в рентгене на отдельные области. Приведено сравнение имплозии кону
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.