Investigation of plasma compression in the PF-24 device with the use of different Z working gases
Loading...
DOI
Date
2020
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Thesis supervisors
Reviewers
Publisher
Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences
License Type
Creative commons license
Abstract
The work addresses the problem of radiative compression of electron-ion plasma occurrence and conditions during electric discharges in the z-pinch type devices. Also, the issue of the plasma radiative compression influence on the total neutron emission from nuclear fusion of deuterium nuclei is addressed. The plasma radiative compression is the phenomenon which should theoretically appear during high current conducting electric discharges in working gases having relatively high Z atomic number in comparison to deuterium (Z = 1), which are pinched with self-generated magnetic field pressure. When these types of gases are used the X-ray radiation losses during discharge are significant leading to cooling of the plasma, smaller internal pressures and possibly enable the compression to smaller sizes and higher densities. Moreover, the discharges in the mixtures of deuterium with noble gases, in which strong radiative compression has developed, may potentially produce more neutrons from the fusion of deuterium nuclei on average, despite the lower initial D2 pressure.
The conducted researches are based on: 54 theoretical discharges, 123 experimental discharges and 123 computed discharges in D2, Ar and D2+Ar mixtures under constant initial total pressure of about 2.9 mbar. The experimental discharges were performed in the plasma-focus PF-24 device, which is a type of dynamic non-cylindrical z-pinch type plasma generator and the nuclear fusion device with magnetic confinement, under the 17 kV of charging voltage and the 16.8 kJ of energy storage. During the experimental part of research 3 diagnostic systems were used: the Rogowski coil, the magnetic probe and the neutron counter. They were used to obtain: the total discharge current trace, the derivative of total discharge current over time trace and the total number of counts, during each experimental discharge. The obtained electric traces and number of counts enabled to determine the 6 different measured parameters describing behavior of plasma during each discharge. On the other hand, the theoretical and computed discharges were performed using the 5-phase Lee model code, which enables simulation of approximately all phases of discharge in any plasma-focus type device. Wherein, the 123 computed discharges have been connected to experimental discharges (123 coupled experimental-computed discharges) using the total discharge current fitting technique. The results obtained using the 5-phase Lee model code enabled to determine the 37 computed parameters and the 6 computed radiative compression indicators describing the behavior of plasma for each investigated discharge.
The obtained theoretical results showed strong plasma radiative compression phenomenon occurrence for discharges in the 1.70-4.20 mbar of initial Ar pressures and in x = 50-95% of Ar fraction in the (100-x)D2+xAr mixtures. While for all the theoretical discharges in D2, in 0.50-1.60 mbar and 4.50-5.00 mbar of initial Ar pressures and in x = 1-45% of Ar fractions in the (100-x)D2+xAr mixtures weak or non-existent radiative compression phenonmenon was stated. Moreover, the obtained experimental-computed results showed strong radiative compression phenomenon occurrence for only half of discharges in about 1.2 mbar of Ar. While for all the discharges in D2, the other half of discharges in Ar (also about 1.2 mbar) and in all the discharges in x = 3-60% of Ar fractions in (100-x)D2+xAr mixtures weak or non-existent radiative compression phenomenon was stated. The main reason of this state is to be the too low total X-ray line radiation emission power. The main parameters influencing strong radiative compression occurrence were stated as: the total yield of X-ray line radiation, the initial plasma pinch radius, the initial ion temperature and the initial ion number density. These parameters determine the radiative compression phenomenon occurrence during single discharge including its strength. Thus, they should be more accurate in comparison to the standard indicators used: the reduced Pease-Braginskii current, the radiation depletion time, etc. Also, no increase in the average total yield of fusion neutrons was stated for discharges in 3-60% of Ar fraction in (100-x)D2+xAr mixtures under constant initial pressure. The main reason of this is the decrease in deuterium ion number densities due to the decrease in initial pressures and deuterium fractions and the special changes in electro-kinetics/dynamics of discharges.
Praca dotyczy problemu wystÄpowania kompresji radiacyjnej plazmy elektronowo-jonowej i warunkĂłw podczas wyĆadowaĆ elektrycznych w urzÄ dzeniach typu z-pinch. Poruszono rĂłwnieĆŒ kwestiÄ wpĆywu kompresji radiacyjnej plazmy na caĆkowitÄ emisjÄ neutronĂłw z syntezy jÄ der deuteru. Kompresja radiacyjna plazmy jest zjawiskiem, ktĂłre teoretycznie powinno pojawiÄ siÄ podczas wyĆadowaĆ elektrycznych przewodzÄ cych wysoki prÄ d w gazach roboczych o wzglÄdnie wysokiej liczbie atomowej Z w porĂłwnaniu do deuteru (Z = 1), ktĂłre sÄ Ćciskane przez samoistnie generowane ciĆnienie pola magnetycznego. Gdy stosuje siÄ tego rodzaju gazy, straty na promieniowanie rentgenowskie podczas wyĆadowania sÄ znaczne, co prowadzi do chĆodzenia plazmy, mniejszych ciĆnieĆ wewnÄtrznych i ewentualnie umoĆŒliwia kompresjÄ do mniejszych rozmiarĂłw i wyĆŒszych gÄstoĆci. Ponadto wyĆadowania w mieszaninach deuteru z gazami szlachetnymi, w ktĂłrych rozwinÄĆa siÄ silna kompresja radiacyjna, mogÄ potencjalnie, Ćrednio wytwarzaÄ wiÄcej neutronĂłw z syntezy jÄ der deuteru, pomimo niĆŒszego poczÄ tkowego ciĆnienia D2. Przeprowadzone badania opierajÄ siÄ na: 54 wyĆadowaniach teoretycznych, 123 wyĆadowaniach eksperymentalnych i 123 wyĆadowaniach obliczeniowych w D2, Ar i mieszaninach D2+Ar pod staĆym, caĆkowitym, poczÄ tkowym ciĆnieniem okoĆo 2.9 mbar. WyĆadowania eksperymentalne przeprowadzono w urzÄ dzeniu plasma-focus PF-24, ktĂłre jest rodzajem dynamicznego, niecylindrycznego generatora plazmy typu z-pinch i urzÄ dzenia do syntezy jÄ drowej z magnetycznym puĆapkowaniem plazmy, pod napiÄciem Ćadowania 17 kV i magazynowaniem energii 16.8 kJ. Podczas czÄĆci eksperymentalnej badaĆ wykorzystano 3 ukĆady diagnostyczne: cewkÄ Rogowskiego, sondÄ magnetycznÄ i licznik neutronĂłw. Wykorzystano je do uzyskania: przebiegu caĆkowitego prÄ du wyĆadowania, przebiegu pochodnej caĆkowitego prÄ du wyĆadowania po czasie oraz caĆkowitej liczby zliczeĆ, podczas kaĆŒdego eksperymentalnego wyĆadowania. Uzyskane przebiegi elektryczne i liczby zliczeĆ umoĆŒliwiĆy okreĆlenie 6 rĂłĆŒnych mierzonych parametrĂłw opisujÄ cych zachowanie plazmy podczas kaĆŒdego wyĆadowania. Z drugiej strony wyĆadowania teoretyczne i obliczeniowe przeprowadzono przy uĆŒyciu 5-fazowego kodu modelu Lee, ktĂłry umoĆŒliwia symulacjÄ w przybliĆŒeniu wszystkich faz wyĆadowania w dowolnym urzÄ dzeniu typu plasma-focus. Przy czym, 123 obliczeniowe wyĆadowania zostaĆy poĆÄ czone z wyĆadowaniami eksperymentalnymi (123 sprzÄĆŒone wyĆadowania eksperymentalno-obliczeniowe) przy uĆŒyciu techniki dopasowania caĆkowitego prÄ du wyĆadowania. Wyniki uzyskane przy uĆŒyciu 5-fazowego kodu modelu Lee umoĆŒliwiĆy okreĆlenie 37 obliczeniowych parametrĂłw i 6 obliczeniowych wskaĆșnikĂłw kompresji radiacyjnej opisujÄ cych zachowanie plazmy, dla kaĆŒdego badanego wyĆadowania. Uzyskane wyniki teoretyczne wykazaĆy zachodzenie silnego zjawiska kompresji radiacyjnej plazmy dla wyĆadowaĆ w poczÄ tkowych ciĆnieniach Ar 1.70-4.20 mbar i x = 50-95% zawartoĆci Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr. Podczas gdy, dla wszystkich teoretycznych wyĆadowaĆ w D2, w 0.50-1.60 mbar i 4.50-5.00 mbar poczÄ tkowych ciĆnieĆ Ar i w x = 1-45% zawartoĆci Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr sĆabe lub nieistniejÄ ce zjawisko kompresji radiacyjnej zostaĆo stwierdzone. Ponadto uzyskane wyniki obliczeniowo-eksperymentalne wykazaĆy silne zjawisko kompresji radiacyjnej tylko dla poĆowy wyĆadowaĆ w okoĆo 1.2 mbar Ar. Podczas gdy, dla wszystkich wyĆadowaĆ w D2, drugiej poĆowie wyĆadowaĆ w Ar (rĂłwnieĆŒ okoĆo 1.2 mbar) i we wszystkich wyĆadowaniach w x = 3-60% zawartoĆci Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr sĆabe lub nieistniejÄ ce zjawisko kompresji radiacyjnej zostaĆo stwierdzone. GĆĂłwnym powodem tego stanu jest zbyt niska caĆkowita moc emisji liniowego promieniowania X. GĆĂłwne parametry wpĆywajÄ ce na wystÄpowanie silnej kompresji radiacyjnej okreĆlono, jako: caĆkowita wydajnoĆÄ promieniowania liniowego X, poczÄ tkowy promieĆ pinchu plazmowego, poczÄ tkowa temperatura jonĂłw i poczÄ tkowa gÄstoĆÄ liczby jonĂłw. Parametry te okreĆlajÄ zjawisko kompresji radiacyjnej podczas pojedynczego wyĆadowania w tym jego nasilenie. Tak, wiÄc powinny byÄ one dokĆadniejsze w porĂłwnaniu ze stosowanymi standardowymi wskaĆșnikami: zmniejszonym prÄ dem Pease'a-Braginskiego, czasem wytracania promieniowania, itp. Nie stwierdzono rĂłwnieĆŒ wzrostu Ćredniej, caĆkowitej wydajnoĆci neutronĂłw z syntezy, dla wyĆadowaĆ w 3-60% zawartoĆci Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr pod staĆym, poczÄ tkowym ciĆnieniem. GĆĂłwnym powodem tego jest spadek gÄstoĆci iloĆci jonĂłw deuteru spowodowany zmniejszeniem poczÄ tkowych ciĆnieĆ i zawartoĆci deuteru oraz specjalnymi zmianami w elektro-kinetyce/dynamice wyĆadowaĆ.
Praca dotyczy problemu wystÄpowania kompresji radiacyjnej plazmy elektronowo-jonowej i warunkĂłw podczas wyĆadowaĆ elektrycznych w urzÄ dzeniach typu z-pinch. Poruszono rĂłwnieĆŒ kwestiÄ wpĆywu kompresji radiacyjnej plazmy na caĆkowitÄ emisjÄ neutronĂłw z syntezy jÄ der deuteru. Kompresja radiacyjna plazmy jest zjawiskiem, ktĂłre teoretycznie powinno pojawiÄ siÄ podczas wyĆadowaĆ elektrycznych przewodzÄ cych wysoki prÄ d w gazach roboczych o wzglÄdnie wysokiej liczbie atomowej Z w porĂłwnaniu do deuteru (Z = 1), ktĂłre sÄ Ćciskane przez samoistnie generowane ciĆnienie pola magnetycznego. Gdy stosuje siÄ tego rodzaju gazy, straty na promieniowanie rentgenowskie podczas wyĆadowania sÄ znaczne, co prowadzi do chĆodzenia plazmy, mniejszych ciĆnieĆ wewnÄtrznych i ewentualnie umoĆŒliwia kompresjÄ do mniejszych rozmiarĂłw i wyĆŒszych gÄstoĆci. Ponadto wyĆadowania w mieszaninach deuteru z gazami szlachetnymi, w ktĂłrych rozwinÄĆa siÄ silna kompresja radiacyjna, mogÄ potencjalnie, Ćrednio wytwarzaÄ wiÄcej neutronĂłw z syntezy jÄ der deuteru, pomimo niĆŒszego poczÄ tkowego ciĆnienia D2. Przeprowadzone badania opierajÄ siÄ na: 54 wyĆadowaniach teoretycznych, 123 wyĆadowaniach eksperymentalnych i 123 wyĆadowaniach obliczeniowych w D2, Ar i mieszaninach D2+Ar pod staĆym, caĆkowitym, poczÄ tkowym ciĆnieniem okoĆo 2.9 mbar. WyĆadowania eksperymentalne przeprowadzono w urzÄ dzeniu plasma-focus PF-24, ktĂłre jest rodzajem dynamicznego, niecylindrycznego generatora plazmy typu z-pinch i urzÄ dzenia do syntezy jÄ drowej z magnetycznym puĆapkowaniem plazmy, pod napiÄciem Ćadowania 17 kV i magazynowaniem energii 16.8 kJ. Podczas czÄĆci eksperymentalnej badaĆ wykorzystano 3 ukĆady diagnostyczne: cewkÄ Rogowskiego, sondÄ magnetycznÄ i licznik neutronĂłw. Wykorzystano je do uzyskania: przebiegu caĆkowitego prÄ du wyĆadowania, przebiegu pochodnej caĆkowitego prÄ du wyĆadowania po czasie oraz caĆkowitej liczby zliczeĆ, podczas kaĆŒdego eksperymentalnego wyĆadowania. Uzyskane przebiegi elektryczne i liczby zliczeĆ umoĆŒliwiĆy okreĆlenie 6 rĂłĆŒnych mierzonych parametrĂłw opisujÄ cych zachowanie plazmy podczas kaĆŒdego wyĆadowania. Z drugiej strony wyĆadowania teoretyczne i obliczeniowe przeprowadzono przy uĆŒyciu 5-fazowego kodu modelu Lee, ktĂłry umoĆŒliwia symulacjÄ w przybliĆŒeniu wszystkich faz wyĆadowania w dowolnym urzÄ dzeniu typu plasma-focus. Przy czym, 123 obliczeniowe wyĆadowania zostaĆy poĆÄ czone z wyĆadowaniami eksperymentalnymi (123 sprzÄĆŒone wyĆadowania eksperymentalno-obliczeniowe) przy uĆŒyciu techniki dopasowania caĆkowitego prÄ du wyĆadowania. Wyniki uzyskane przy uĆŒyciu 5-fazowego kodu modelu Lee umoĆŒliwiĆy okreĆlenie 37 obliczeniowych parametrĂłw i 6 obliczeniowych wskaĆșnikĂłw kompresji radiacyjnej opisujÄ cych zachowanie plazmy, dla kaĆŒdego badanego wyĆadowania. Uzyskane wyniki teoretyczne wykazaĆy zachodzenie silnego zjawiska kompresji radiacyjnej plazmy dla wyĆadowaĆ w poczÄ tkowych ciĆnieniach Ar 1.70-4.20 mbar i x = 50-95% zawartoĆci Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr. Podczas gdy, dla wszystkich teoretycznych wyĆadowaĆ w D2, w 0.50-1.60 mbar i 4.50-5.00 mbar poczÄ tkowych ciĆnieĆ Ar i w x = 1-45% zawartoĆci Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr sĆabe lub nieistniejÄ ce zjawisko kompresji radiacyjnej zostaĆo stwierdzone. Ponadto uzyskane wyniki obliczeniowo-eksperymentalne wykazaĆy silne zjawisko kompresji radiacyjnej tylko dla poĆowy wyĆadowaĆ w okoĆo 1.2 mbar Ar. Podczas gdy, dla wszystkich wyĆadowaĆ w D2, drugiej poĆowie wyĆadowaĆ w Ar (rĂłwnieĆŒ okoĆo 1.2 mbar) i we wszystkich wyĆadowaniach w x = 3-60% zawartoĆci Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr sĆabe lub nieistniejÄ ce zjawisko kompresji radiacyjnej zostaĆo stwierdzone. GĆĂłwnym powodem tego stanu jest zbyt niska caĆkowita moc emisji liniowego promieniowania X. GĆĂłwne parametry wpĆywajÄ ce na wystÄpowanie silnej kompresji radiacyjnej okreĆlono, jako: caĆkowita wydajnoĆÄ promieniowania liniowego X, poczÄ tkowy promieĆ pinchu plazmowego, poczÄ tkowa temperatura jonĂłw i poczÄ tkowa gÄstoĆÄ liczby jonĂłw. Parametry te okreĆlajÄ zjawisko kompresji radiacyjnej podczas pojedynczego wyĆadowania w tym jego nasilenie. Tak, wiÄc powinny byÄ one dokĆadniejsze w porĂłwnaniu ze stosowanymi standardowymi wskaĆșnikami: zmniejszonym prÄ dem Pease'a-Braginskiego, czasem wytracania promieniowania, itp. Nie stwierdzono rĂłwnieĆŒ wzrostu Ćredniej, caĆkowitej wydajnoĆci neutronĂłw z syntezy, dla wyĆadowaĆ w 3-60% zawartoĆci Ar w mieszaninach (100-x)D2+xAr pod staĆym, poczÄ tkowym ciĆnieniem. GĆĂłwnym powodem tego jest spadek gÄstoĆci iloĆci jonĂłw deuteru spowodowany zmniejszeniem poczÄ tkowych ciĆnieĆ i zawartoĆci deuteru oraz specjalnymi zmianami w elektro-kinetyce/dynamice wyĆadowaĆ.
Description
Keywords
Citation
Sponsorship:
National Science Centre in Poland
project number: 2018/29/N/ST2/02804 (PRELUDIUM 15)
Grantnumber:
License Type
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 MiÄdzynarodowe