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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.16(2014)165202反场构形的二维磁流体力学描述李璐璐张华杨显俊y(北京应用物理与计算数学研究所,北京100094)(2013年10月12日收到;2014年4月1日收到修改稿)26−3磁化靶聚变技术作为实现纯聚变的一种途径,不需要惯性约束聚变的高初始密度(约10cm),也不需要磁约束聚变的长约束时间(秒量级),可能是一种实现纯聚变更低廉更有效的途径.开发了一个二维磁流体力学模拟程序MPF-2D,用于描述反场构形的形成过程.采用该程序对美国洛斯
2、阿拉莫斯国家实验室在反场构形形成装置上形成反场构形的实验进行了二维模拟和分析,理论值与实验值符合得较好;同时也对中国工程物理研究院流体物理研究所设计的“荧光-1”实验装置上形成的反场构形进行了模拟与评估,结果表明该装置上的反场构形基本达到设计指标.关键词:磁化靶聚变,反场构形,二维磁流体力学PACS:52.55.Lf,52.25.Xz,52.30.Cv,52.65.KjDOI:10.7498/aps.63.165202的探索[6].1引言除了磁约束聚变和惯性约束聚变,人们也在积极探索可以实现纯聚变的新方法
3、.20世纪80年代,随着工业化的快速发展,人们对于能源的需求人们提出了介于两者之间的磁化靶聚变[7,8],该方日益增加,其中聚变能是非常重要的潜在能源之法通过压缩预加热的磁化等离子体靶实现聚变点一.实现可控核聚变的方式一般有磁约束聚变和火,有可能成为一种实现纯聚变反应的更低廉更有惯性约束聚变两种.磁约束聚变装置根据磁场位效的途径.反场构形(FRC)是磁化靶聚变中常用形的不同分为托克马克、磁镜、仿星器、箍缩、多极的一种等离子体靶,它是长椭形的高密度等离子体场等[1].磁约束聚变对于氘或氚等离子体的初始环(c
4、ompacttoroid)[9],其轴向磁场在分界面以内密度要求不高(约为1014cm−3),但是对于约束时区域是完全闭合的,理想情况下其环向磁场为零.间要求比较长(秒量级).作为磁约束聚变研究的FRC具有很高的等离子体值以及能量密度,这代表,国际热核聚变实验反应堆计划旨在研究可控种简单的拓扑结构可以保证等离子体尽可能少地核聚变的相关理论和技术,中国作为其中的一员,受到器皿内壁的污染,并且FRC具有很好的可转也加入了该项目.惯性约束聚变[2,3]的约束时间较移性.以上特点使得FRC作为磁化靶具有独特的短(
5、纳秒量级),但是对于靶丸的密度要求很高(约优势.为1026cm−3).惯性约束聚变研究的代表为美国的半个世纪之前,人们首次在实验室中发现了国家点火装置(NIF)计划,该计划的目标是通过高FRC[10,11].到目前为止,已有很多种实验方法可以能激光束压缩氘氚靶丸实现聚变点火.2012年底,形成FRC,如传统的环向箍缩(-pinch)方法[12]、NIF计划没有完成预定的点火目标[4],因此,美国碰撞融合(collisionmerging)方法[13]、球马克融合能源部在2012年底向国会提交的报告中明确
6、指出,(spheromakmerging)方法[14]、旋转磁场(rotating未来三年将会在Z装置[5]上进行磁驱动内爆聚变magneticfields)方法[15]等.美国洛斯阿拉莫斯国家自然科学基金(批准号:11105005,11175026,11175028)资助的课题.†通讯作者.E-mail:yang_xianjun@iapcm.ac.cn©2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn165202-1物理学报ActaPhys
7、.Sin.Vol.63,No.16(2014)165202国家实验室与美国空军研究实验室共建的反场du= rp+jB r;(2)构形形成(FRX)装置[12,16,17]是采用环向箍缩(-dtdBpinch)方法形成FRC时使用的典型设备.2003年,= B(ru)+(Br)udt在FRX-L装置上形成了密度为1016cm−3,温度[12] r(j);(3)为250eV的FRC.2004年,文献[18]报道了在dFRX-L装置上形成高密度FRC的实验,其密度、i"i= piru r
8、(KirTi)dt温度及约束时间已经比较接近磁化靶聚变的要求.()中国工程物理研究院流体物理研究所设计的“荧+Cijj uri+Qi;(4)光-1”实验装置计划于2015年建成[19],该装置将de"e= peru r(KerTe)dt用于研究FRC预加热磁化等离子体靶的形成、等离子体不稳定性及等离子体约束性质.另外,磁+Cejj u(re)重联现象在太阳耀斑、日冕、恒星形成等很多天体+Qe
