高功率脉冲技术推动Z一pinch研究发展.pdfVIP

高功率脉冲技术推动Z～pinch 研究的发展 张适昌 中科院电工研究所 一、关于z—pinch的基本物理思想 l问题提出 在六十年代进行受控热核反应研究时，人们发现z—pinch有可能达到核聚变 的条件．它的基本思想是利用气体放电产生大电流而形成等离子体，由大电流自磁 场的箍缩效应，可把放电等离子体箍缩到很小的轴·L,tJ,体积内，因为有欧姆加热和 其他加热效应，等离子体的温度和密度都可能达到很高的程度，直到实现核聚变的 目的．由于放电电流方向是轴向的，因此称这种箍缩装置为二箍缩装置，英文就叫 做Z—pinch，区别于角向电流产生的0。pinch． 由于Z-pinch装置结构简单、造价低廉、运行方便，而且效率较高，在产生高 温等离子体、X_辐射、核爆模拟、热核浆变、xl射线激光等领域，表现出明显的优 点，受到人们的重视．经过三十多年的理论与实验的探索， Z-pinch取得很大的进 展．像美国、俄罗斯、英国等国家，虽然几经起伏，但从没有停止过Z-l。inch的研究 工作．最近，美国宣布要建立蘑大的装置，准备向核聚变目标冲击．这个动向，引 起了人们的极大关注． 2．Z-pinch的物理过程 Z-pinch的物理过程，在宏观表现上是较为简单的，大体可分为三个阶段： (1)向心压缩阶段 在馈人脉冲电流初期，气体(如D．-T，或D-D等)被加热、激发、电离，形 成等离子体．随着电流I的增长，z向电流产生自磁场B．在这个磁场与等离子体 电流相互作用产生劳伦茨力F，即F=，×B，这个力F是指向轴线上的，使等离 子体不断地被箍缩到轴线附近很小的体积内．因此，这个过程就叫作向·tL,压缩阶段． 在等离子运动过程中，一方面受到向心的磁压力B=B2，(8石)作用，另～方面受 等离子体内压力Pr-nkT的作用，这个力是由轴心向外的，也即是与磁压力相反的． 因此，随着放电的发展，这两个力最终将达到平衡，等离子体向心运动将停止下来， 进入到第二个阶段． (2)平衡停滞阶段 当等离子体受到的两种相反作用达到平衡时，PB=Pp时，等离子体运动停滞， 将其动能转化为热能，温度急剧上升，有可能达到热核聚变的高温度高密度状态， 常常这一阶段也是人们最关·tL,的阶段． (3)崩毁阶段 在等离子体电流下降时，将会出现磁压力小于等离子体内压力的时候，即 PBPp，此时将可能产生等离子体膨胀丽崩毁的现象．如果在被约束和加热的等离子 J 体内，核反应输出的能量不足维持等离子体符合劳逊判据，则等离子体最终进入崩 毁阶段． Z-pinch的三个物理过程所持续的时间长短，确定了进行Z放电的频率，也即 是说，如果要实现Z-pinch的能量正增益并能够投人商用发电输出，脉冲装置的放电 频率就由这段总时间来确定．据估算，如果Z-pinch的三个物理过程总持续时间为一 秒钟，那么要进行商业发电，脉冲装置要作1Hz的长期连续放电．在这种情况下， 我们可简单估算出商用热核发电厂的规模，如使用D-T反应，每一对D-T反应输出 x x 能量约为17．6×1旷x1．6 1o-。z=2．810‘0．如果用短脉冲放电方式，约柬时间 8×10“ 分布的高动能高速度分布范围上的粒子数)进行了D-T反应，则将产生2 x 1矿1=28x 热核发电厂。 3Bennett条件和装置参数估算 由PB=BZ／8 x l旷J／0 每厘米长度上的粒子数，K为玻尔茨曼常数(1．38 K)，T为等离子体 温度(’K)．这就是著名的Benntt条件．我们作一简单的假设，如果产生核聚变时， 每厘米长度的粒子数N与每立方厘米体积粒子数n在数值上是相同的．那么由劳逊 点温度，则得到每厘米长度上的粒子数为： ，l=N=101’／r x x10*x x