Численное моделирование динамики плазмы и генерации нейтронов в Z-пинче на установке “Ангара-5-1”

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

На установке “Ангара-5-1” проводились экспериментальные исследования дейтериевого Z-пинча при токе 2–2.5 МА, нарастающем за 100 нс. Выход нейтронов в опытах составлял от 5∙10 10 до 8∙10 11 нейтронов за импульс. С целью объяснения результатов экспериментов были проведены двумерные МГД-расчеты с учетом генерации ДД-нейтронов с помощью термоядерного и ускорительного механизмов. МГД-расчеты пинча, проведенные с учетом распределения плотности дейтерия в газовой струе, дают удовлетворительное согласие с измерениями напряжения. Величина нейтронного выхода в расчетах составляет от 4∙10 10 до 1.5∙10 11 в зависимости от плотности дейтерия и величины задержки между началом напуска газа и моментом пуска генератора. Энергия ускоренных дейтронов, приводящих в ускорительном механизме к генерации нейтронов, в расчетах составляет от 55 до 900 кэВ, что удовлетворительно согласуется с оценками, полученными в экспериментальной работе. Важным отличием генерации нейтронов в быстром газовом Z-пинче от генерации нейтронов в плазменном фокусе является то, что вклады термоядерного и ускорительного механизмов в генерацию нейтронов в быстром газовом Z-пинче оказываются соизмеримыми, тогда как в плазменном фокусе основным механизмом генерации нейтронов является ускорительный.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. Ф. Гаранин

Российский федеральный ядерный центр − Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики

Email: vyudolinskij@vniief.ru
Россия, Саров, Нижегородская обл.

В. Ю. Долинский

Российский федеральный ядерный центр − Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики

Автор, ответственный за переписку.
Email: vyudolinskij@vniief.ru
Россия, Саров, Нижегородская обл.

Список литературы

  1. Ise J., Jr., Pyle R.V. // Confer. Controlled Thermonuclear Reactions, Princeton University, 17–20 October 1955 TID-7503, USAEC, 1955. P. 218.
  2. Арцимович Л. А., Андрианов А. М., Доброхотов Е. И., Лукьянов С. Ю., Подгорный И. М., Синицын В. И., Филиппов Н. В. // Атомная энергия. 1956. Т. 1. С. 84.
  3. Gilbert F.C., Ise J., Pyle R.V., White R.S. // Confer. Controlled Thermonuclear Reactions, Gaitlinburg, TN, 4–7 June 1956 TID-7520, USAEC, 1956. Pt. 1. P. 144; Dunaway R., ibid. P. 127.
  4. Filippov N.V., Filippova T.I., Vinogradov V.P. // Nucl. Fusion. Suppl. 1962. V. 2. P. 577.
  5. Mather J.W. // Phys. Fluids. Suppl. 1964. V. 7. P. 5.
  6. Батюнин А.В., Булатов А.Н., Вихарев В.Д., Волков Г.С., Зайцев В.И., Захаров С.В., Комаров С.А., Недосеев С.Л., Никандров Л.Б., Олейник Г.М., Смирнов В.П., Трофимов С.В., Утюгов Е.Г., Федулов М.В., Фролов И.Н., Царфин В.Я. // Физика плазмы. 1990. Т. 16. С. 1027.
  7. Velikovich A.L., Clark R.W., Davis J., Chong Y.K., Deeney C., Coverdale C.A., Ruiz C.L., Cooper G.W., Nelson A.J., Franklin J., Rudakov L.I. // Phys. Plasmas. 2007. V. 14. P. 022701.
  8. Coverdale C.A., Deeney C., Velikovich A.L., Clark R.W., Chong Y.K., Davis J., Chittenden J., Ruiz C.L., Cooper G.W., Nelson A.J., Franklin J., LePell P.D., Apruzese J.P., Levine J., Banister J., Qi N. // Phys. Plasmas. 2007. V. 14. P. 022706.
  9. Coverdale C.A., Deeney C., Velikovich A.L., Davis J., Clark R.W., Chong Y.K., Chittenden J., Chantrenne S., Ruiz C.L., Cooper G.W., Nelson A.J., Franklin J., LePell P.D., Apruzese J.P., Levine J., Banister J. // Phys. Plasmas. 2007. V. 14. P. 056309.
  10. Stanislawski J., Baranowski J., Sadowsky M., Zebrowski J. // Nucleonika. 2001. V. 46 (Supplement 1). P. S73.
  11. Milanese M.M., Pouzo J.O., Cortazar O.D., Moroso R.L. // Rev. Sci. Instruments. 2006. V. 77. P. 036106.
  12. Грабовский Е.В., Грибов А.Н., Крылов М.К., Ефремов Н.М., Ильичева М.В,. Лотоцкий А.П., Лаухин Я.Н., Сулимин Ю.Н., Панфилов Д.Г., Предкова Е.И., Шишлов А.О., Хомутинников Г.Н., Фролов А.Ю., Додулад Э.И., Школьников Э.Я., Вихрев В.В., Лукин В.В. // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2022. Т. 45. С. 119.
  13. Shan B., Lee P., Lee S. // Singapur J. Phys. 2000. V. 16. P. 25.
  14. Lee S. // J. Fusion Energy. 2014. V. 33. P. 319.
  15. Schmidt A., Link A., Welch D., Meehan B.T., Tang V., Halvorson C., May M., Hagen E.C. // Phys. Plasmas. 2014. V. 21. P. 102703.
  16. Offerman D.T., Welch D.R., Rose D.V., Thoma C., Clark R.E., Mostrom C.B., Schmidt A.E.W., Link A.J. // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116. P. 195001.
  17. Bennett N., Blasco M., Breeding K., Constantino D., DeYoung A., DiPuccio V., Friedman J., Gall B., Gardner S., Gatling J., Hagen E.C., Luttman A., Meehan B.T., Misch M., Molnar S., Morgan G., O’Brien R., Robbins L., Rundberg R., Sipe N., Welch D.R., Yuan V. // Phys. Plasmas. 2017. V. 24. P. 012702.
  18. Гаранин С.Ф., Долинский В.Ю., Мамышев В.И., Макеев Н.Г., Маслов В.В. // Физика плазмы. 2020. Т. 46. С. 890.
  19. Завьялов Н.В., Воронцов С.В., Гордеев В.С., Картанов С.А., Страбыкин К.В., Пучагин С.Ю., Калашников Д.А., Панькин Н.Н., Майоров Р.А., Шилин К.С., Павлов В.С., Чернопазов А.А., Селемир В.Д., Репин П.Б., Ибрагимов М.Ш., Орлов А.П., Репин Б.Г., Пикулин И.В., Семенов Ф.В., Максаков А.В., Мозговой А.Л., Гаранин С.Ф., Кузнецов С.Д., Голубинский А.Г., Баранов В.К., Ириничев Д.А. // Междунар. конфер. XXIV Харитоновские тематические научные чтения. Саров, 2023.
  20. Гаранин С.Ф. Физические процессы в системах МАГО-MTF. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2012.
  21. Брагинский С.И. // Вопросы теории плазмы. Вып. 1 / Ред. М. А. Леонтович. М.: Атомиздат, 1963. С. 183.
  22. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979.
  23. Кадомцев Б.Б. Коллективные явления в плазме. М.: Наука, 1976.
  24. Davidson R.C., Gladd N.T // Phys. Fluids. 1975. V. 18. P. 1327.
  25. Krall N.A., Liewer P.C. // Phys. Rev. A. 1971. V. 4. P. 2094.
  26. Goedbloed J.P., Pyatak A.I., Sizonenko V.L. // Sov. Phys. JETP. 1973. V. 37. P. 2084.
  27. Сасоров П.В. // Физика плазмы. 1992. Т. 18. С. 275.
  28. Schmidt A., Tang V., Welch D. // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 109. P. 205003.
  29. Трубников Б.А. Теория плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1996.
  30. Гаранин С.Ф., Мамышев В.И. // Физика плазмы. 2008. Т. 34. С. 695.
  31. Chadwick M.B., Oblozinsky P., Herman M., Greene N.M., McKnight R.D., Smith D.L. // Nuclear Data Sheets. 2006. V. 107. P. 2931.
  32. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники: Справочник. М.: Атомиздат, 1968.
  33. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. 2-е изд. М.: Наука, 1972.
  34. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. Т. 1. М.: Мир, 1991.
  35. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные схемы газовой динамики: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд. М.: Наука, 1992.
  36. Гаранин С.Ф., Долинский В.Ю. // Физика плазмы. 2021. Т. 47. С. 728.
  37. Гаганов В.В., Гаранин С.Ф., Долинский В.Ю. // Физика плазмы. 2023. Т. 49. С. 332.
  38. Антонов А.С. П араллельное программирование с использованием технологии OpenMP: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 2009.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Расчетная геометрия узла нагрузки установки “Ангара-5-1” (А — анод; К — катод; С — сопло; КЛ – быстродействующий клапан; B 0 – значение магнитного поля на границе; V in – скорость дейтерия на входе).

Скачать (162KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение плотности дейтерия в различные моменты времени.

Скачать (279KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Профили плотности дейтерия вдоль оси в различные моменты времени.

Скачать (199KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости тока и производной тока генератора установки “Ангара-5-1” от времени.

Скачать (195KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Экспериментальная и расчетная зависимости напряжения от времени.

Скачать (168KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределение плотности плазмы в различные моменты времени.

Скачать (353KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Распределение температуры ионов плазмы в различные моменты времени.

Скачать (311KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Распределение осевой компоненты напряженности электрического поля E z в различные моменты времени.

Скачать (291KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость напряжения на оси от времени.

Скачать (157KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Распределение величины B r в различные моменты времени.

Скачать (315KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Пространственное распределение нейтронного выхода из единицы объема : термоядерные нейтроны (а); ускорительные нейтроны (б); термоядерные нейтроны (увеличена область 0 ≤ r ≤ 0.1, 0 ≤ z ≤ 1.5) (в); ускорительные нейтроны (увеличена область 0 ≤ r ≤ 0.1, 0.5 ≤ z ≤ 2) (г).

Скачать (289KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Интенсивности нейтронного выхода для термоядерных (dN терм / dt) и ускорительных нейтронов (dN уск / dt) в зависимости от времени.

Скачать (220KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Распределение нейтронного выхода термоядерных нейтронов по температуре ионов.

Скачать (171KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Распределение нейтронного выхода ускорительных нейтронов по энергии налетающих ионов.

Скачать (171KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024