Valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field
Magneto-inertial fusion (MIF) or inertial confinement fusion with magnetized target implosion is considered. Laser-driven MIF allows to compress the preseeded magnetic field to thousands of teslas. Model of high pulse energy laser target interaction is presented. Richtmyer-Meshkov (R-M) instability...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111941 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field / V.V. Kuzenov, S.V. Ryzhkov // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 4. — С. 103-107. — Бібліогр.: 15 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111941 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Kuzenov, V.V. Ryzhkov, S.V. 2017-01-15T17:06:35Z 2017-01-15T17:06:35Z 2013 Valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field / V.V. Kuzenov, S.V. Ryzhkov // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 4. — С. 103-107. — Бібліогр.: 15 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.38.-r, 52.55.Lf, 52.57.Fg https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111941 Magneto-inertial fusion (MIF) or inertial confinement fusion with magnetized target implosion is considered. Laser-driven MIF allows to compress the preseeded magnetic field to thousands of teslas. Model of high pulse energy laser target interaction is presented. Richtmyer-Meshkov (R-M) instability is investigated for MIF systems. We have shown that there is a possibility to suppress the R-M instability by magnetic field. Modeling the impact of magnetic field on a single plasma jet formed at the ICF laser target compression is performed. It is shown that at the compression and heating of a plasma target by using a rapidly growing external magnetic field and laser radiation the R-M instability can be suppressed. Робота присвячена принципам магнітно-інерціального термоядерного синтезу (МІТС) і лазерно- плазмовим методам генерації мегагауссного поля при імплозії замагніченої мішені, що відкриває можливості створення нових плазмових джерел високої щільності для застосування їх в матеріалознавчих експериментах і для перспективних напрямків енергетики. МІТС з лазерним драйвером дозволяє стиснути початкове магнітне поле до декількох сотень і навіть тисяч тесла. Такі плазмові системи можуть використовуватися для діагностики та випробувань різних матеріалів. Нестійкість Ріхтмайера-Мєшкова (РМН) досліджена для умов МІТС в імпульсних системах з інерціальним утриманням часток. Представлена модель взаємодії лазера високої енергії імпульсу з плазмовою мішенню, що знаходиться у затравочному магнітному полі. Проведено моделювання впливу магнітного поля на окремий плазмовий струмінь, що утворюється при компресії мішені лазерним променем. Показано, що при стисненні і нагріванні плазми за допомогою бистронаростаючого зовнішнього магнітного поля та лазерного випромінювання можливо подавлення РМН. Работа посвящена принципам магнитно-инерциального термоядерного синтеза (МИТС) и лазерно- плазменным методам генерации мегагауссного поля при имплозии замагниченной мишени, что открывает возможности создания новых плазменных источников высокой плотности для применения их в материаловедческих экспериментах и для перспективных направлений энергетики. МИТС с лазерным драйвером позволяет сжать первоначальное магнитное поле до нескольких сотен и даже тысяч тесла. Такие плазменные системы могут использоваться для диагностики и испытаний различных материалов. Неустойчивость Рихтмайера-Мешкова (РМН) исследована для условий МИТС в импульсных системах с инерциальным удержанием частиц. Представлена модель взаимодействия лазера высокой энергии импульса с плазменной мишенью, находящейся в затравочном магнитном поле. Проведено моделирование воздействия магнитного поля на отдельную плазменную струю, образующуюся при компрессии мишени лазерным лучом. Показано, что при сжатии и нагреве плазмы с помощью быстронарастающего внешнего магнитного поля и лазерного излучения возможно подавление РМН. The work was performed as part of the RFBR Grant № 13-01-00537 and Program of the Presidium of RAS and fundamental research programs of the Department of Energy, Engineering, Mechanics and Control Processes of the Russian Academy of Sciences, and FTP “Research and Development in Priority Fields of the S&T Complex of Russia (2007-2013)”, Activity 1.6, № 14.516.11.0083. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Термоядерный синтез, коллективные процессы Valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field Оцінка гідродинамічних нестійкостей в мішені інерціального термоядерного синтезу за наявністю магнітного поля Оценка гидродинамических неустойчивостей в мишени инерциального термоядерного синтеза при наличии магнитного поля Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field |
| spellingShingle |
Valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field Kuzenov, V.V. Ryzhkov, S.V. Термоядерный синтез, коллективные процессы |
| title_short |
Valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field |
| title_full |
Valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field |
| title_fullStr |
Valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field |
| title_full_unstemmed |
Valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field |
| title_sort |
valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field |
| author |
Kuzenov, V.V. Ryzhkov, S.V. |
| author_facet |
Kuzenov, V.V. Ryzhkov, S.V. |
| topic |
Термоядерный синтез, коллективные процессы |
| topic_facet |
Термоядерный синтез, коллективные процессы |
| publishDate |
2013 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Оцінка гідродинамічних нестійкостей в мішені інерціального термоядерного синтезу за наявністю магнітного поля Оценка гидродинамических неустойчивостей в мишени инерциального термоядерного синтеза при наличии магнитного поля |
| description |
Magneto-inertial fusion (MIF) or inertial confinement fusion with magnetized target implosion is considered. Laser-driven MIF allows to compress the preseeded magnetic field to thousands of teslas. Model of high pulse energy laser target interaction is presented. Richtmyer-Meshkov (R-M) instability is investigated for MIF systems. We have shown that there is a possibility to suppress the R-M instability by magnetic field. Modeling the impact of magnetic field on a single plasma jet formed at the ICF laser target compression is performed. It is shown that at the compression and heating of a plasma target by using a rapidly growing external magnetic field and laser radiation the R-M instability can be suppressed.
Робота присвячена принципам магнітно-інерціального термоядерного синтезу (МІТС) і лазерно- плазмовим методам генерації мегагауссного поля при імплозії замагніченої мішені, що відкриває можливості створення нових плазмових джерел високої щільності для застосування їх в матеріалознавчих експериментах і для перспективних напрямків енергетики. МІТС з лазерним драйвером дозволяє стиснути початкове магнітне поле до декількох сотень і навіть тисяч тесла. Такі плазмові системи можуть використовуватися для діагностики та випробувань різних матеріалів. Нестійкість Ріхтмайера-Мєшкова (РМН) досліджена для умов МІТС в імпульсних системах з інерціальним утриманням часток. Представлена модель взаємодії лазера високої енергії імпульсу з плазмовою мішенню, що знаходиться у затравочному магнітному полі. Проведено моделювання впливу магнітного поля на окремий плазмовий струмінь, що утворюється при компресії мішені лазерним променем. Показано, що при стисненні і нагріванні плазми за допомогою бистронаростаючого зовнішнього магнітного поля та лазерного випромінювання можливо подавлення РМН.
Работа посвящена принципам магнитно-инерциального термоядерного синтеза (МИТС) и лазерно- плазменным методам генерации мегагауссного поля при имплозии замагниченной мишени, что открывает возможности создания новых плазменных источников высокой плотности для применения их в материаловедческих экспериментах и для перспективных направлений энергетики. МИТС с лазерным драйвером позволяет сжать первоначальное магнитное поле до нескольких сотен и даже тысяч тесла. Такие плазменные системы могут использоваться для диагностики и испытаний различных материалов. Неустойчивость Рихтмайера-Мешкова (РМН) исследована для условий МИТС в импульсных системах с инерциальным удержанием частиц. Представлена модель взаимодействия лазера высокой энергии импульса с плазменной мишенью, находящейся в затравочном магнитном поле. Проведено моделирование воздействия магнитного поля на отдельную плазменную струю, образующуюся при компрессии мишени лазерным лучом. Показано, что при сжатии и нагреве плазмы с помощью быстронарастающего внешнего магнитного поля и лазерного излучения возможно подавление РМН.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111941 |
| citation_txt |
Valuation of hydrodynamic instabilities in inertial confinement fusion target in a magnetic field / V.V. Kuzenov, S.V. Ryzhkov // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 4. — С. 103-107. — Бібліогр.: 15 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT kuzenovvv valuationofhydrodynamicinstabilitiesininertialconfinementfusiontargetinamagneticfield AT ryzhkovsv valuationofhydrodynamicinstabilitiesininertialconfinementfusiontargetinamagneticfield AT kuzenovvv ocínkagídrodinamíčnihnestíikosteivmíšeníínercíalʹnogotermoâdernogosintezuzanaâvnístûmagnítnogopolâ AT ryzhkovsv ocínkagídrodinamíčnihnestíikosteivmíšeníínercíalʹnogotermoâdernogosintezuzanaâvnístûmagnítnogopolâ AT kuzenovvv ocenkagidrodinamičeskihneustoičivosteivmišeniinercialʹnogotermoâdernogosintezaprinaličiimagnitnogopolâ AT ryzhkovsv ocenkagidrodinamičeskihneustoičivosteivmišeniinercialʹnogotermoâdernogosintezaprinaličiimagnitnogopolâ |
| first_indexed |
2025-11-24T18:33:45Z |
| last_indexed |
2025-11-24T18:33:45Z |
| _version_ |
1850492201990094848 |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №4(86) 103
EVALUATION OF HYDRODYNAMIC INSTABILITIES IN INERTIAL
CONFINEMENT FUSION TARGET IN A MAGNETIC FIELD
V.V. Kuzenov1,2, S.V. Ryzhkov1
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
E-mail: ryzhkov@power.bmstu.ru;
2A.Yu. Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS, Moscow, Russia
E-mail: kuzenov@ipmnet.ru
Magneto-inertial fusion (MIF) or inertial confinement fusion with magnetized target implosion is considered.
Laser-driven MIF allows to compress the preseeded magnetic field to thousands of teslas. Model of high pulse en-
ergy laser target interaction is presented. Richtmyer-Meshkov (R-M) instability is investigated for MIF systems. We
have shown that there is a possibility to suppress the R-M instability by magnetic field. Modeling the impact of
magnetic field on a single plasma jet formed at the ICF laser target compression is performed. It is shown that at the
compression and heating of a plasma target by using a rapidly growing external magnetic field and laser radiation
the R-M instability can be suppressed.
PACS: 52.38.-r, 52.55.Lf, 52.57.Fg
STATEMENT OF THE PROBLEM
There is one of the promising ways to create ther-
monuclear plasma: magnetized target and lasers which
are used to heat and compress targets to ultra high pa-
rameters [1-6]. In this case, external special areas of
fusion targets vaporizes because of high-power laser
and disperses into the environment at high speed, which
provides reactive pressure and compression of the inner
layers of the laser target. Moreover, the expansion of the
outer layers of the laser target is accompanied by accel-
eration contact boundary (between the target and envi-
ronment), which in accordance with the initial condi-
tions (laminated target) density may rise suddenly. It
may be the cause of hydrodynamic instabilities, such as
Rayleigh-Taylor instability or Richtmyer-Meshkov in-
stability, in the presence of burn acceleration. They ac-
companied by turbulent mixing of inert material and
fuel, which makes difficult to achieve the optimal pa-
rameters of thermonuclear fusion. To study this prob-
lem, the following task [7] was formulated: research
single-mode and multimode disturbances of a contact
boundary (contact surface was disturbed by sinusoidal
waviness), which is a thin film that separates the two
gases (e.g. krypton-xenon with different densities). It
was founded that "mushroom" structures [7] were ob-
served in the late nonlinear stage of Richtmyer-
Meshkov instability. These structures can be interpreted
as a system of pulsed plasma jets with a toroidal vortex
behind the leading part of each pulse jet. Thus, suppres-
sion of hydrodynamic Richtmyer-Meshkov instability is
a very actual topic for laser confinement fusion.
Recall that the Richtmyer-Meshkov instability oc-
curs between two contacting continuous agents with
different densities, when the interface is accelerating,
e.g. the shock wave. Development of the instability be-
gins from the small-amplitude perturbation, and can
pass through four stages – linear ("regular" mode) and a
non-linear, transitional and turbulent mixing ("irregular"
mode, which is accompanied by a mix of substances). In
the "regular mode" of the instability development,
which matches to the linear stage, the perturbation
growth rate is proportional to the wave number
2k π
λ
=
[8, 9]. Then the "irregular" regime starts, it is character-
ized by the fact that the shape of the contact surface
disturbance is different from the sinusoidal and consists
of a pulse jets "heavy" gas (plasma), which are injected
into space flooded with light ( 1 2ρ ρ> ) gas (plasma). It
was observed that, this system of jets at a later time
takes the "mushroom" structures form and matches to
the conversion (by mixing jets) to the stage of turbulent
mixing zone’s formation.
The question arises is it possible to suppress the
Richtmyer-Meshkov instability if 1 2ρ ρ> (heavy gas is
blown into the light gas) by some external influence,
e.g. by applying an external magnetic field. In order to
answer this question, we offer the model of the "irregu-
lar" regime of Richtmyer-Meshkov instability as a sepa-
rate stream (pulse capillary discharge jet) or system of
pulsed plasma jet of matter ( 1 2ρ ρ> ) with density 1ρ .
This stream flows in flooded space with density 2ρ
under the influence of the external magnetic field.
A single pulse jet is formed by capillary discharge,
which can create a discharge system. Structurally, it is
an interelectrode dielectric insert, made in the form of a
cylinder with an axial slot opening, which is a channel
of capillary discharge, electrodes and case. The elec-
trodes are in the form of flat steel plates, one of which
closed a capillary discharge channel from the one side.
Initial evaporation and subsequent breakdown of the
plasma substance was implemented with an electric
explosion inside the capillary metal conductors. Alumi-
num, copper or lead was used as the plasma-forming
substances.
Some results of numerical study of the influence of
external magnetic field on plasmodynamic processes
occurring in the jets, flowing in stationary medium (air
at atmospheric pressure), are presented below. Dynamic
parameters of the flowing out capillary discharge chan-
nel in flooded area were calculated. A new approximate
mathematical model assumes that the electrical energy
stored in a capacitor, converted into thermal energy of
plasma, which flows out with the sound velocity
through the capillary cut.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №4(86) 104
RESULTS OF CALCULATIONS
Specific calculations were made for a single erosion
jet (the plasma-forming material is aluminum) flowing
out of the channel of the capillary discharge with an
evaporating wall (CDEW) into the cylindrical chamber
filled with air at the initial time under normal condi-
tions. This cylindrical chamber faces the flat side of the
other slice of capillary discharge is associated with entry
into the computational domain through which the ero-
sion plasma flows in the flooded space filled with air.
The value of the total energy stored in the capacitor
for a single version of the CDEW is 2.7 kJ, the channel
diameter is 10 mm, the channel length of the CDEW is
50 mm, the distance between individual CDEWs is
60 mm. The timing of the peak discharge current is
max 25t = mks. The radial distance between capillary
channels varies between 2 and 10 cm, the focus point
(with coordinates var, 0Z r= = ) on the line of capillary
jet torches varies between 3 and 5 cm. Focus point’s
coordinate Z is measured from the plane where capillar-
ies’ slices are situated.
Time dependence [ ]t mks on the longitudinal veloc-
ity [ ]v /m s (left) and temperature [ ]KT (right) ob-
tained for a particular version of CDEW (cross section
of the capillary), based on an approximate mathematical
model describing plasmodynamic processes inside the
channel of a capillary discharge is presented in Fig. 1.
Graphic dependences shown in Fig. 1, and set out in
the functional form, are used on the CDEW cross sec-
tion as boundary conditions in the mathematical model-
ing of the outflowing plasma jet. The computational
domain was presented as a rectangle during the two-
dimensional calculations in the coordinate system (r, z).
In the case of a rectangular computational domain
there’re CDEW off channel cross section in the lower
part of the picture on a flat surface. Through that flat
surface, erosion flux of plasma-forming substances,
which occur within the channel CDEW (Al in the calcu-
lation), flows into the estimated area.
Top of the rectangular computational domain is also
limited by the flat surface (straight line in Fig. 1), where
not disturbing "soft" conditions are set on the leaving
computational domain flux:
2
2 0,
n
f
x
∂
=
∂
r
where
{ }, , v,f u eρ=
r
and nx is coordinate normal to the
boundary surface.
In the second variant computational domain in the
coordinate system (r, z) is a cylindrical chamber which
is in the upper part turns into the Laval nozzle. The ero-
sion plasma of capillary’s material flows in air-filled
space through the outlet section of the nozzle. In the
bottom of flat part of the cylindrical chamber there are
output CDEW channels. At the top of the flat part of the
calculated area variables have "soft" boundary condi-
tions.
Range of integration is limited by the axis of sym-
metry on the right side. This axis is given by the appro-
priate symmetry conditions of the plasma capillary dis-
charge.
[ ]v m/s
0 20 40 60 80 100 120
1500
2000
2500
3000
3500
4000
a
T[К]
0 20 40 60 80 100 120
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
22000
24000
26000
[ ]t mμ
b
Fig. 1. The dependence of the velocity [ ]v m/s (a) and
temperature T [K] (b) of outflowing plasma on the cut
for a particular version of the CDEW on time
Figs. 2 - 4 show two-dimensional spatial distribu-
tions of temperature, which let us to check influence of
external magnetic field on the structural elements of a
single jet of CDEW.
Fig. 2,a shows a flow structure of a single CDEW jet
(without external magnetic field) [10, 11], consisting of:
• a group of hanging shock waves;
• the Mach disk, crossed the CDEW axis of symmetry.
The feature of CDEW jet structure is plasma flow in
the triple point shock wave configuration. A vortex ring
(toroidal vortex) is formed over the central Mach disk
(in later times). This track is caused by the fact that dy-
namic pressure of the stream, which underwent two-
stage compression, is much greater dynamic pressure at
the central jump [11 - 15].
Figs. 2 and 3 show the temperature distributions in
the CDEW torch with external magnetic field on the jet.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №4(86) 105
Effect of the magnetic field B affects the high tem-
perature (close to the axis) portion of the plasma jet of a
single CDEW and wake vortex (toroidal vortex) in the
area of triple configuration.
,Z cm
-10 -5 0 5 10
0
5
10
15
T
1.80E+04
1.70E+04
1.60E+04
1.50E+04
1.40E+04
1.30E+04
1.20E+04
1.10E+04
1.00E+04
9.00E+03
8.00E+03
7.00E+03
6.00E+03
5.00E+03
4.00E+03
3.00E+03
2.00E+03
1.00E+03
a
-10 -5 0 5 10
0
5
10
15
T
4.00E+04
3.80E+04
3.60E+04
3.40E+04
3.20E+04
3.00E+04
2.80E+04
2.60E+04
2.40E+04
2.20E+04
2.00E+04
1.80E+04
1.60E+04
1.40E+04
1.20E+04
1.00E+04
8.55E+03
7.91E+03
6.00E+03
4.00E+03
2.00E+03
,R cm
b
Fig. 2. The spatial distribution of temperature T [K]
in a pulsed plasma jet: (a) without external magnetic
field at time t=49.3 μs, (b) in the presence of an
external magnetic field B=1.58 T at time t=46.6 μs,
and (c) B=2.5 T at t=46.9 μs
The toroidal vortex does not occur, and the longitu-
dinal dimension of the jet CDEW and the maximum
temperature T [K] is approximately twice bigger than
the size of the jet and the temperature without external
magnetic field (see Fig. 2,a) accordingly to the spatial
temperature distribution T [K] and the value of the
magnetic pressure Pmag = 25 [bar], as it follows from
Fig. 3,a.
While the distribution (see Fig. 3,b) of vorticity
function ( )rot V
r
shown that all necessary conditions
were created on the border of jet and environment for
the occurrence of vortex. The longitudinal size of the
CDEW jet and the maximum temperature T [K] is about
twice time lower than the size of the jet and the tem-
perature without external magnetic field (see Fig. 2,a).
,Z cm
-10 -5 0 5 10
0
5
10
15
T
4.00E+04
3.80E+04
3.60E+04
3.40E+04
3.20E+04
3.00E+04
2.80E+04
2.60E+04
2.40E+04
2.20E+04
2.00E+04
1.80E+04
1.60E+04
1.40E+04
1.20E+04
1.00E+04
8.00E+03
6.00E+03
4.00E+03
2.00E+03
a
-10 -5 0 5 10
0
5
10
15
rot F
1.60E+01
1.50E+01
1.40E+01
1.30E+01
1.20E+01
1.10E+01
1.00E+01
9.00E+00
8.00E+00
7.00E+00
6.00E+00
5.00E+00
4.00E+00
3.00E+00
7.02E-01
b ,R cm
Fig. 3. The spatial distribution of temperature T [K] (a)
and vorticity function ( )rot V
r
(b) in the plasma jet with
the external magnetic field B=2.5 T at t=46.9 μs
It is known [11] that characteristic modes of the jet
expiry in a gaseous medium are usually described by the
off-nominal degree an P P∞= ( aP is the pressure on
the CDEW cross section, P∞ is the pressure in the
flooded area). The jet is overexpanded for 1n < , and
underexpanded for 1n < . This complex structure of the
jet flow in the flooded area is associated with the ap-
pearance of the characteristic longitudinal
a a aZ r M nγ≈ and transverse ( )-1a aR r n γ≈
spatial scales.
When an external magnetic field B = 2,5 T or
25magP = bar impact on the CDEW plasma jet the off-
nominal degree is ( ) 5, 4a magn P P P∞= + ≈ which had
to be accompanied with a change in the longitudinal
aZ r and transverse aR r dimensions of the CDEW jet
about 5 times.
But, as seen in Fig. 3,a the magnetic pressure magP
has no significant effect on hanging shock waves, after
which gas is not very hot (T ≈ (3…5) kK). However, in
the peripheral zone (see Fig. 2,b), which is adjacent to
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №4(86) 106
the axis of the CDEW (T > 10 kK) a reverse flow of
plasma occurs (approximately equal to the radial veloc-
ity ( , , ) 1,3 kmu r z t
s
≈ − ). This flow is directed towards
the axis of the capillary discharge. At the same time the
gas-dynamic pressure gradient 0P∇ > is in the oppo-
site direction, i.e. from the axis of the CDEW torch.
,Z cm
-10 -5 0 5 10
0
5
10
15
Pmag
2.80E+01
2.60E+01
2.40E+01
2.20E+01
2.00E+01
1.80E+01
1.60E+01
1.40E+01
1.20E+01
1.00E+01
8.00E+00
6.00E+00
4.00E+00
2.00E+00
a
-4 -2 0 2 4
0
2
4
T
1.80E+04
1.70E+04
1.60E+04
1.50E+04
1.40E+04
1.30E+04
1.20E+04
1.10E+04
1.00E+04
9.00E+03
8.00E+03
7.00E+03
6.00E+03
5.00E+03
4.00E+03
3.00E+03
2.00E+03
1.00E+03
b ,R cm
Fig. 4. The spatial distribution of magnetic pressure
Pmag [atm] in the magnetic field at t=46.9 μs (a) and
temperature T [K] without magnetic field at time t=62.9 μs
for pressure in the flooded area 25P∞ = atm (b)
The magnetic pressure has the most noticeable effect
(see Fig. 4,a) on the heated part of the axial CDEW jet
(T > 20 kK), which is limited by the size of the radial
coordinate R ≤ 1 cm. In this spatial area the Mach num-
ber is close to unity ( 1M ≈ ), and gas-dynamic pressure
is P ≈ 100 bar.
In order to evaluate the level of impact of elevated
external gas-dynamic pressure 25P∞ = bar
( )5,6an P P∞= ≈ (see Fig. 4,b) shows the temperature
distribution in the torch of CDEW without external
magnetic field. Note that in this case ( 25P∞ = bar) in
the region of mixing of the jet and the surrounding gas
environment (in contrast to the presence of an external
magnetic field B = 2,5 T) toroidal long-lived the vortex
structure is formed, and the maximum temperature in
the CDEW jet is Tmax ≈ 18 kK, Mach number
M ≈ (1…2.4), the pressure is P ≈ 10 bar.
CONCLUSIONS
A mathematical model of pulsed plasma jet flowing
into a flooded space is developed. This model is based
on equations of radiation plasma dynamics written in
arbitrary curvilinear coordinates. Analysis of simple
two-dimensional disturbances and composed structures,
corresponding to the "irregular" regime of Richtmyer-
Meshkov instability is presented. Time dependence of
the growth process and disturbances, are obtained. Im-
pact of the external magnetic field on them is investi-
gated. A simplified qualitative model for explanation is
offered. Main gas dynamics and radiation parameters of
the capillary discharge with an evaporating wall
(CDEW) are calculated.
The work was performed as part of the RFBR Grant
№ 13-01-00537 and Program of the Presidium of RAS
and fundamental research programs of the Department
of Energy, Engineering, Mechanics and Control Proc-
esses of the Russian Academy of Sciences, and FTP
“Research and Development in Priority Fields of the
S&T Complex of Russia (2007-2013)”, Activity 1.6,
№ 14.516.11.0083.
REFERENCES
1. V.V. Kuzenov, S.V. Ryzhkov. Numerical modeling
of magnetized plasma compressed by the laser
beams and plasma jets // Problems of Atomic Sci-
ence and Technology. Series “Plasma Physics”
(19). 2013, № 1 (83), p. 12-14.
2. I.Yu. Kostyukov, S.V. Ryzhkov. Magneto-inertial
fusion with laser compression of a magnetized
spherical target // Plasma Physics Reports. 2011,
v. 37, № 13, p. 1092-1098.
3. A.Yu. Chirkov, S.V. Ryzhkov. The plasma jet/laser
driven compression of compact plasmoids to fusion
conditions // Journal of Fusion Energy. 2012, v. 31,
iss. 1, p. 7-12.
4. S.V. Ryzhkov. The behavior of a magnetized plasma
under the action of laser with high pulse energy //
Problems of Atomic Science and Technology. Series
“Plasma Electronics and New Methods of Accelera-
tion” (7). 2010, № 4, p.105-110.
5. S.V. Ryzhkov, A.Yu. Chirkov, A.A. Ivanov. Analy-
sis of the compression and heating of magnetized
plasma targets for magneto-inertial fusion // Fusion
Sci Technol. 2013, v. 63, № 1T, p. 135-138.
6. V.V. Kuzenov, S.V. Ryzhkov. Developing the nu-
merical model for studying laser-compression of
magnetized plasmas // Acta Technica. 2011, v. 56,
p. T454-467.
7. I.G. Lebo and V.F. Tishkin. Investigation into Hy-
drodynamic Instability in the Problems on Laser
Thermonuclear Fusion. Moscow: «FIZMATLIT»,
2006.
8. R.D. Richtmyer. Taylor instability in a shock accelera-
tion of compressible fluids // Communications on Pure
and Applied Mathematics. 1960, v. 13, p. 297-319.
9. E.E. Meshkov. Instability of the interface of two
gases accelerated by a shock wave // Izvestiya
Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza.
1969, № 5, p. 151-157 (in Russian).
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №4(86) 107
10. L.V. Ovsyannikov. Lectures on the Fundamentals of
Gas Dynamics. Institute of Computer Studies. Mos-
cow-Izhevsk, 2003.
11. V.G. Dulov and G.A. Luk'yanov. Gasdynamics of
Efflux Processes. Novosibirsk: «Nauka», 1984.
12. V.V. Kuzenov, S.T. Surzhikov, M. Capitelli,
G. Colonna. Numerical Analysis on Near-Surface
Laser Plasma in Gases and Vacuum // 44-th AIAA
Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 9-12
January 2006, Reno, Nevada, AIAA 2006-1174.
13. V.V. Kuzenov, S.T. Surzhikov, A.S. Petrusev. Ra-
diation Gas Dynamics of Aluminium Laser Plume
in Air // 46-th AIAA Aerospace Sciences Meeting
and Exhibit. 9-12 January 2008, Reno, Nevada,
AIAA 2008-1108.
14. V.V. Kuzenov, S.T. Surzhikov, Yu.М. Grishin.
Radiative Gas Dynamic of Linear-Stabilized Sur-
face Discharge in Atmospheric Gases // 36-th AIAA
Plasmadynamics and Lasers Conference. 6-9 June
2005, Toronto, Ontario, Canada, AIAA 2005-4929.
15. V.V. Kuzenov, S.T. Surzhikov, I.V. Sharikov. Nu-
merical Simulation of Linear-Stabilized Surface
Discharge in Rare Air // Fifteenth international
conference on MHD energy conversion and sixth
international workshop on magnetoplasma aerody-
namics. 24-27 May 2005, Moscow, Russia, v. 2,
p. 650.
Article received 01.04.2013.
ОЦЕНКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ В МИШЕНИ ИНЕРЦИАЛЬНОГО
ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА ПРИ НАЛИЧИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В.В. Кузенов, С.В. Рыжков
Работа посвящена принципам магнитно-инерциального термоядерного синтеза (МИТС) и лазерно-
плазменным методам генерации мегагауссного поля при имплозии замагниченной мишени, что открывает
возможности создания новых плазменных источников высокой плотности для применения их в материало-
ведческих экспериментах и для перспективных направлений энергетики. МИТС с лазерным драйвером по-
зволяет сжать первоначальное магнитное поле до нескольких сотен и даже тысяч тесла. Такие плазменные
системы могут использоваться для диагностики и испытаний различных материалов. Неустойчивость Рих-
тмайера-Мешкова (РМН) исследована для условий МИТС в импульсных системах с инерциальным удержа-
нием частиц. Представлена модель взаимодействия лазера высокой энергии импульса с плазменной мише-
нью, находящейся в затравочном магнитном поле. Проведено моделирование воздействия магнитного поля
на отдельную плазменную струю, образующуюся при компрессии мишени лазерным лучом. Показано, что
при сжатии и нагреве плазмы с помощью быстронарастающего внешнего магнитного поля и лазерного из-
лучения возможно подавление РМН.
ОЦІНКА ГІДРОДИНАМІЧНИХ НЕСТІЙКОСТЕЙ В МІШЕНІ ІНЕРЦІАЛЬНОГО
ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗУ ЗА НАЯВНІСТЮ МАГНІТНОГО ПОЛЯ
В.В. Кузенов, С.В. Рижков
Робота присвячена принципам магнітно-інерціального термоядерного синтезу (МІТС) і лазерно-
плазмовим методам генерації мегагауссного поля при імплозії замагніченої мішені, що відкриває можливос-
ті створення нових плазмових джерел високої щільності для застосування їх в матеріалознавчих експериме-
нтах і для перспективних напрямків енергетики. МІТС з лазерним драйвером дозволяє стиснути початкове
магнітне поле до декількох сотень і навіть тисяч тесла. Такі плазмові системи можуть використовуватися
для діагностики та випробувань різних матеріалів. Нестійкість Ріхтмайера-Мєшкова (РМН) досліджена для
умов МІТС в імпульсних системах з інерціальним утриманням часток. Представлена модель взаємодії лазе-
ра високої енергії імпульсу з плазмовою мішенню, що знаходиться у затравочному магнітному полі. Прове-
дено моделювання впливу магнітного поля на окремий плазмовий струмінь, що утворюється при компресії
мішені лазерним променем. Показано, що при стисненні і нагріванні плазми за допомогою бистронаростаю-
чого зовнішнього магнітного поля та лазерного випромінювання можливо подавлення РМН.
|