磁化套筒惯性聚变中的磁瑞利—泰勒不稳定性研究

来源 :中国工程物理研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:leimu438
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Z箍缩磁化套筒惯性聚变(MagLIF)是近年来广泛研究的驱动惯性聚变的一种重要技术途径。套筒内爆过程中,外表面会产生剧烈的磁瑞利-泰勒(MRT)不稳定性,Z箍缩这种不稳定性与流体中的RT不稳定性类似。MRT不稳定性发展是决定MagLIF的关键物理问题之一。在MRT不稳定性研究中,主要采用经典的两区平板模型。但在MagLIF中,套筒内爆包含真空区,套筒区和燃料区,套筒的有限厚度以及不同区域的磁场分布会影响MRT不稳定性发展,更适合采用三区模型描述MRT不稳定性发展。采用三区模型也可以研究外表面MRT不稳定性对内表面扰动产生的馈入效应。首先利用三区平板模型和不可压缩条件下的理想磁流体力学(MHD)方程组,给出了 MRT不稳定性增长率满足的色散关系并进行了数值求解。结果表明,外加轴向磁场B0z对MRT不稳定性有着很好的抑制作用,B0z越大,MRT不稳定性增长率越小。同时,B0z对短波长MRT不稳定性的抑制更为明显。BOz = 0时,增长率随扰动波长单调下降。B0z≠0时,增长率随扰动波长先增加后减小。改变套筒的初始密度,增长率会随着初始密度的增加而增加。BOz≠0时,套筒密度越小,扰动增长率越小。此外,通过三区模型研究了外表面的MRT不稳定性对内表面扰动发展的影响,引用馈入因子为内表面的扰动位移与外表面扰动位移的比值,以描述这种影响的大小。B0= 0时,馈入因子会退化成:F= exp(-k△),因此馈入因子只与扰动波长和套筒厚度有关。BOz≠0时,馈入因子的变化更为复杂,结果表明,随着等效加速度增加馈入因子先增加后减小,并逐渐趋于某一常数值。本文也针对Z装置套筒内爆实验条件,研究了MagLIF中套筒MRT不稳定性扰动增长率随时间的演化过程。采用零维模型描述套筒的内爆过程,给出了增长率随时间的变化关系。可以看到,随内爆时间的增加,加速度增加,增长率也迅速增加。在(x,y)平面,角向磁场B0y可以增加到1000T以上,磁场可以完全抑制(x,y)平面的扰动增长。在(x,z)平面,轴向的磁场B0z大小约为几十特斯拉,对(x,z)平面扰动也存在着明显的抑制效果。变化套筒参数会改变套筒的加速过程,进而改变MRT不稳定性发展。研究结果表明,对于高纵横比(套筒半径与厚度的比值)的套筒,MRT不稳定性发展更为强烈,同时高纵横比下套筒厚度比较小,导致馈入因子也更大。因此,MagLIF中应避免采用高纵横比设计。当然纵横比很小时,能量转换效率极低,也是需要避免的。本文也导出了可压缩条件下的色散关系,研究了可压缩性对MRT不稳定性发展的影响。结果表明,在没有角向磁场的情况下,可压缩条件下的扰动增长率与不可压缩条件下的增长率几乎相同。然而,在存在角向磁场的情况下,可压缩条件下的增长率要小于不可压缩条件下的增长率。其主要原因是由于当等离子体可压缩时,磁场冻结在等离子体中,可以提供更强的回复力,从而具有更强的抑制作用。当声速cs较小时,抑制效果更加明显。当声速较大时,增长率将接近不可压缩条件下的增长率。最后,本文也给出了在MagLIF中Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性的发展过程。利用Richtmyer脉冲模型,给出了存在轴向磁场B0z时扰动位移与时间的变化关系。结果表明,B0z对RM不稳定性有明显的抑制作用,这种抑制作用的来源与MRT不稳定性下磁场的抑制作用是相同的,即磁场被弯曲产生的磁张力减小扰动发展。如果B0z足够大,这种RM不稳定性也可能被完全抑制。此外,在没有磁场时,扰动位移随扰动波长单调递减。存在磁场时,扰动位移会随波长先增加后减小,但始终都小于B0z = 0时的扰动。研究结果也发现,B0z对短波长的抑制效果要明显强于对长波长扰动的抑制。
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