^ ДИНАМИКА
ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПЛОЗИИ ВОЛОКОННЫХ ЛАЙНЕРОВ НА УСТАНОВКЕ АНГАРА-5-1
© 2010 г. В. В. Александров, Е. В. Грабовский, А. Н. Грицук, Я. Н. Лаухин, С. Ф. Медовщиков, К. Н. Митрофанов, Г. М. Олейник, П. В. Сасоров*, М. В. Федулов, И. Н. Фролов
ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", Троицк, Московская обл., Россия *ГНЦРФ "Институт теоретической и экспериментальной физики", Москва, Россия
Поступила в редакцию 17.09.2009 г. Окончательный вариант получен 05.11.2009 г.
Представлены результаты исследований имплозии и сжатого состояния цилиндрических сборок (лайнеров) из капроновых волокон с добавками проволок из веществ с высоким и средним атомным номером (вольфрам, алюминий), проведенных на установке Ангара-5-1 при токе 3-4 МА. Получена оценка скорости производства плазмы в полых цилиндрических сборках из капроновых волокон и проведено сравнение с вольфрамовыми проволочными сборками.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время достигнуты заметные успехи по использованию сильноточных установок с нагрузкой из многопроволочных сборок для генерации мощных импульсов рентгеновского излучения [1]. Эти результаты возобновили интерес к исследованиям ^-пинчевого разряда в качестве энергетического драйвера для имплозии мишеней непрямого облучения в различных схемах инерциального термоядерного синтеза (ИТС) [2].
Как показывают расчетно-теоретические оценки требований к параметрам ^-пинчевого драйвера, предназначенного для сжатия термоядерных мишеней непрямого действия под действием импульса мягкого рентгеновского излучения (МРИ) и получения высокого коэффициента усиления мишени по энергии свыше 100— 500 МДж [2], для согласования профиля импульса тока будущих установок с временем имплозии ^-пинча с целью достижения требуемой пиковой мощности импульса МРИ потребуется применение излучающих нагрузок с линейной массой свыше 100 мг/см [3]. На установках этого поколения (БАЙКАЛ (Россия), Х-1 (США)), проектируемых в настоящее время [4, 5], большая масса нагрузки и, соответственно, большая масса пинча, образующегося при сжатии плазмы (в процессе имплозии лайнеров), ограничивает пиковую мощность мягкого рентгеновского излучения (МРИ), требующегося для сжатия термоядерной мишени непрямого облучения. Как показано в работе [3] это ограничение связано с тем, что при большой массе пинча из веществ с высоким Z пиковая мощность МРИ пинча падает с увеличением его оптической толщины, а время выхода излучения из пинча увеличивается. Кроме того, выбор типа термоядерной мишени непрямого
действия налагает жесткие ограничения на временной профиль сжимающего мишень импульса МРИ для достижения требуемой степени сжатия топлива.
Для сокращения времени выхода излучения из пинча и увеличения пиковой мощности выходного МРИ предполагается использование плазмо-образующих веществ с малым Z, например, таких как бериллий (2 = 4), углерод (2 = 6) и др. Также рассматривается применение смешанных Z-пин-чевых нагрузок, состоящих из смеси веществ, как с малым Z, так и с высоким Z (например, вольфрам). Для оптимальной замены плазмообразую-щего вещества Z-пинчевых нагрузок проводятся исследования по сжатию лайнеров из различных материалов [6, 7].
Цель данной работы состоит в исследовании имплозии Z-пинчей с применением нагрузок в виде волоконных сборок из полимерных веществ с малым атомным номером. Исследования направлены на получение новых данных, необходимых для создания и проверки расчетно-теорети-ческих моделей имплозии лайнеров для ИТС.
В наших экспериментах использовались лайнеры из веществ с малым Z — полиамидных (капроновых) волокон. Полиамид—6,6 [—НМ(СН2)5СО—]и имеет среднее значение атомного номера 2сред ~ 3.6. Присутствие в плазме смешанных сборок из веществ с малым Z, веществ со средним Z (например, Ы§ (2 = 12), А1 (2 = 13), ТЧ (2 = 22)) позволяет как влиять на величину оптической толщины плазмы пинча, так и использовать линейчатое излучение для диагностики параметров плазмы пинча таких сборок [7, 8].
Подобные эксперименты имеют большое значение для понимания физики имплозии лайне-
ров из смеси веществ, так как, например, капроновые волоконные сборки не обладают начальной проводимостью в отличие от металлических проволочных сборок, а динамика имплозии, формирование спектра и профиля мощности импульса МРИ на основе лайнеров из смеси веществ изучены в недостаточной степени по сравнению с многопроволочными лайнерами и требуют дополнительного исследования.
В соответствии с современными представлениями о процессе имплозии лайнеров и образовании ^-пинча требуется учитывать при моделировании стадию производства и сноса к оси плазмы из вещества лайнера, которая занимает ~70— 80% времени имплозии [9—12]. Затянутое во времени производство плазмы является неотъемлемой частью имплозии многопроволочных сборок. При протекании тока по многопроволочной цилиндрической сборке в течение стадии производства плазмы под воздействием тока и излучения с неподвижных остовов проволок генерируется плазма (плазменная корона) с высокой проводимостью. Магнитное поле вмораживается во вновь создаваемую плазму короны [13] и эта плазма с вмороженным магнитным полем сносится под воздействием пондеромоторной силы J х В в сторону оси лайнера. Задолго до образования Z-пинча на оси сборки появляется плазменный предвестник [14], который несет часть разрядного тока. Подобные свойства плазменного предвестника были подтверждены экспериментально [13]. Из-за непрерывного сноса токонесущей плазмы к оси лайнера возникает радиальное распределение плазмы (токовый слой) с толщиной, заметно большей толщины скин-слоя. Ускорение такой плазмы к оси системы обеспечивается не действием магнитного поршня на внешнюю границу плазмы, что приводило бы к сильным неустойчи-востям, а объемной силой Ампера, действующей по всей толщине плазмы. Такая конструкция плазменного лайнера существенно меньше подвержена неустойчивости Релея—Тейлора по сравнению с тонкими плазменными оболочками с толщиной порядка скин-слоя [15]. Скорость производства плазмы в таких условиях является ключевым параметром токового сжатия проволочной сборки и формирования профиля мощности МРИ, которое генерируется в процессе ударно волнового нагрева плазмы при столкновении сжимающегося плазменного слоя на оси сборки. Очевидно, что существует оптимум по толщине такого плазменного слоя, при котором сжатие плазмы компактно и устойчиво и возможна генерация мощного импульса мягкого рентгеновского излучения [16].
По завершении процесса плазмообразования, когда заканчивается вещество в остовах проволок, происходит финальное сжатие плазмы к оси. Неодновременность по пространству и по време-
ни окончания плазмообразования (локального окончания плазмообразования на остовах проволок [17]) приводит к прорыву магнитного потока сквозь освобожденные от источников плазмы участки остовов проволок и образованию в процессе финального сжатия отстающей массы. Этот процесс назван в работе [18] "плазменным ливнем".
Другая модель источника плазмы, названная "ракетной" моделью, была предложена в [12]. Эта модель определяет зависимость скорости производства плазмы от величины тока и радиуса сборки, подобную полученной в [9, 10]. Различие модели источника плазмы в [12] от модели, предложенной в [9, 10], заключается в отсутствии тока в плазменном предвестнике.
Первая оценка для скорости производства плазмы с вольфрамовыми сборками получена в одномерном приближении с учетом только потоков тепла за счет электронной теплопроводности на относительно холодные остатки начального взрыва проволок [9]. Эту скорость можно представить в виде
Г,
т = К
1 [МА]
мкг
2
см нс
(1)
Здесь т — количество плазмы в массовых единицах, образуемое в единицу времени с единицы боковой цилиндрической поверхности сборки; I — полный ток, протекающий по сборке; Я — радиус сборки; а К = 0.18 и ц = 1.8 — численные коэффициенты. Одномерность приведенной оценки означает, что характерная скиновая глубина проникновения поля в поток относительно горячей плазмы заметно больше расстояния между проволоками.
Дальнейшие исследования [11] в рамках одномерного приближения показали, что перенос излучения является важнейшим фактором, приводящим к увеличению темпа плазмообразования в условиях установки Ангара-5-1 примерно в 1.5 раза с несколько меньшим значением ц « 1.6.
Экспериментальные исследования [10, 19] темпа плазмообразования для вольфрамовых сборок показали, что до начала исчерпания вещества проволок темп плазмообразования хорошо описывается приведенной выше формулой (1). Однако количественно темп плазмообразования в 2—3 раза меньше, чем по приведенной выше оценке, причем это различие зависит от конструкции сборки. Это не является удивительным, поскольку одномерное приближение является достаточно грубым, и темп плазмообразования должен зависеть еще и от других параметров сборки, таких как: межпроволочное расстояние, диаметр относительно холодного взорванного материала остовов проволок после начальной инициации разряда. Слабая, но чрезвычайно
важная зависимость темпа плазмообразования от межпроволочного расстояния была позже обнаружена экспериментально [20]. Влияние двумерных эффектов на теоретический темп плазмооб-разования учитывалось как аналитически [21], так и с помощью двумерного численного моделирования [22]. Результат этих исследований в обобщенном виде таков:
т = К
1\ц й °
(2)
Ш Др"
Индексы ц = 1.5—2, а, в = 0.1—0.4 зависят от соотношения между тепловыми и диффузионными параметрами плазменной короны вокруг проволок с одной стороны и геометрическими параметрами сборки: межпроволочным расстоянием (Д) и диаметром холодных продуктов начального взрыва проволок (й). Численный коэффициент К соответствует тому, что при переходе к одномерному пределу темп плазмообразования становится примерно равным величине, полученной в одномерной теории (см. уравнение (1)). Более детальные данные по теоретическому темпу плазмообразования с вольфрамовых сборок в условиях установки Ангара-5—1 можно найти в работах [11, 22].
Данная работа состоит из Введения, че
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.