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Stability analysis and numerical simulation of a hard-core diffuse z pinch during compression with Atlas facility liner parameters

R.E. Siemon, W.L. Atchison, T. Awe, B.S. Bauer, A.M. Buyko, V.K. Chernyshev, T.E. Cowan, J.H. Degnan, R.J. Faehl, S. Fuelling2005年被引用 16Nuclear FusionIF 3出版社

In the 'metal liner' approach to magnetized target fusion (MTF), a preheated magnetized plasma target is compressed to thermonuclear temperature and high density by externally driving the implosion of a flux conserving metal enclosure, or liner, which contains the plasma target. As in inertial confinement fusion, the principal fusion fuel heating mechanism is pdV work by the imploding enclosure, called a pusher in ICF. One possible MTF target, the hard-core diffuse z pinch, has been studied in MAGO experiments at VNIIEF and is one possible target being considered for experiments on the Atlas pulsed power facility. Numerical MHD simulations show two intriguing and helpful features of the diffuse z pinch with respect to compressional heating. First, in two-dimensional simulations the m = 0 interchange modes, arising from an unstable pressure profile, result in turbulent motions and self-organization into a stable pressure profile. The turbulence also gives rise to convective thermal transport, but the level of turbulence saturates at a finite level, and simulations show substantial heating during liner compression despite the turbulence. The second helpful feature is that pressure profile evolution during compression tends towards improved stability rather than instability when analysed according to the Kadomtsev criteria. A liner experiment is planned for Atlas to study compression of magnetic flux without plasma, as a first step. The Atlas geometry is compatible with a diffuse z pinch, and simulations of possible future experiments show that kiloelectronvolt temperatures and useful neutron production for diagnostic purposes should be possible if a suitable plasma injector is added to the Atlas facility.

日本語訳

「金属ライナー」方式による磁化標的核融合(MTF)では、予熱・磁化されたプラズマ標的が、プラズマ標的を内包する磁束保存金属容器(ライナー)の爆縮を外部から駆動することにより、熱核温度かつ高密度まで圧縮される。慣性核融合と同様に、主たる核融合燃料の加熱機構は、爆縮容器(慣性核融合では「プッシャー」と呼ばれる)によるpdV仕事である。MTF標的の候補の一つであるハードコア拡散zピンチは、VNIIEFにおけるMAGO実験で研究されており、Atlasパルスパワー施設での実験候補の一つでもある。数値MHDシミュレーションは、圧縮加熱に関する拡散zピンチの二つの有益な特徴を示している。第一に、二次元シミュレーションでは、不安定な圧力分布に起因するm = 0モードが、乱流的な運動と、安定な圧力分布への自己組織化をもたらす。この乱流は対流熱輸送も引き起こすが、乱流の強度は有限なレベルで飽和し、シミュレーションによれば、乱流にもかかわらずライナー圧縮中に有意な加熱が生じる。第二の有益な特徴は、カドムツェフ基準に従って解析すると、圧縮中の圧力分布の時間発展が、不安定化ではなく安定性の向上へと向かうことである。Atlas施設では、ライナー実験として、プラズマを伴わない磁束圧縮実験が計画されている。Atlasのジオメトリは拡散zピンチと適合性があり、将来の実験のシミュレーションによれば、適切なプラズマ入射装置をAtlas施設に付加すれば、キロ電子ボルト級の温度と、診断に有用な中性子生成が達成可能であることが示されている。

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