文档介绍：Z箍缩驱动聚变一裂变混合能源堆彭先觉(中国工程物理研究院,四川绵阳621900) 摘要:本文介绍了z箍缩概念,提出了Z箍缩驱动聚变裂变能源堆的概念设想并分析了其技术可行性。在设想中,根据未来能源应用的特点,提出了驱动器可把电流上升前沿加大,以减小研制难度的建议;提出了适用于Z 箍缩应用的能源靶设计,该靶可在60~;提出了适应脉冲运行的次临界能源包层概念,,能量放大倍数大于10,因而可实现单爆室能源运行,且燃料循环简便、经济。认为,Z箍缩驱动聚变一裂变能源堆将是未来规模能源的一条非常有竞争力技术路线。关键词:Z箍缩;聚变裂变能源堆;能源靶;次临界能源包层 1 z箍缩概念 z箍缩又称z—Pinch,就是等离子体在轴向(Z方向)强大电流产生的洛仑兹力作用下,在径向(R方向)形成的自箍缩效应 ,在导线的周围要产生磁场(如图l所示)。由麦克斯威尔电磁方程,其磁场强度为: v×再=, (1) 图1 导线 H 上式为实用单位系统下表示式。式中,.,为电流密度。沿离导线中心r处的圆环积分(1),可得 F—P方×后(2) 式中,e为电荷所带电量,云为电荷运动速度,B为磁感应强度。由图1可见,电荷将产生沿导线径向向心的加速度。其结果是引起电荷束流的自箍缩。当电流足够强时,这种箍缩效应将产生巨大的等离子体聚心内爆,并在轴线附近形成高温高密度区。早期的可控热核研究就试图用这种方法来实现热核反应。经过一番变换之后,在磁流体力学中把洛仑兹力变成了磁压形式,即 D2 P。=÷HB一}=÷PH2 (3) L -Pinch实验实验结构如图2所示: 即在阳极和阴极之问放置一金属套筒或金属丝围成的套筒(目的减少套筒的质量),套筒的外半径为r,长度为L,流经套筒的电流为I(是时间的函数)。阴极 r 阳极金属套筒或金属丝阵图2 金属套筒外表面的磁场压力金属套筒的外边界r处的磁压,由(4)和(1)给出,并可表示为: P。一÷卢。Hz一号户。(赤)2一号}箬ca, 若取j一20MA,r—lcm,代人上式得 P。 当J不变时,套筒表面的压力随其半径r变小而增大,如r由1cm—,压力要放大4 z箍缩驱动聚变一裂变混合能源堆1 263 倍时,同样当I增大1倍时,压力也要增大 4倍。 套筒在z—Pinch过程中从磁场获得的能量我们用半定性半定量的方法来看看磁压对套筒所作的功。我们假设磁场在整个套筒的表面是均匀的,套筒整体向内运动,在运动过程中I不随时间变化,因此当套筒表面由初始半径“运动至1时,单位长度套筒获得的功W(rn, r1)为: w(ro’r1)一J,1 Pmdy一未,。121n署若取J一20MA,rn—lcm,,。如果l L一2cm,则磁场作功为 ,这与Sandia在Z装置上(电流约 20MA)获得的X射线能量相当。一般说来,焦耳热占的能量比例较小。可以预见,套筒(或丝阵)电磁内爆产生的X射线总能量将基本比例于J。。 2 z箍缩国外研究发展概况 20世纪50年代中期,科学家们就探索了利用脉冲放电箍缩等离子体以实现可控热核聚变的可