Numerical modeling of plasma dynamics and neutron generation in Z-pinch at the Angara-5-1 facility

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Deuterium Z-pinch experimental studies [1] were carried out at the Angara-5-1 facility at a current of 2–2.5 MA with 100 ns rise time. Neutron yield in experiments ranged from 5 Å~ 1010 to 8 Å~ 1011 neutrons per pulse. In order to explain experimental results, the two-dimensional MHD calculations were performed taking into account the generation of DD-neutrons using thermonuclear and beam-target mechanisms. MHD calculations of pinch dynamics, carried out taking into account the deuterium density distribution in the gas puff, satisfactory agree with voltage measurements. The neutron yield in the calculations ranges from 4 Å~ 1010 to 1.5 Å~ 1011 depending on the deuterium density and the time delay between the start of gas puff and the moment of generator start-up. The energy of accelerated deuterons, which lead to neutron generation in the beam-target mechanism, is calculated to be from 55 to 900 keV, which is in satisfactory agreement with the estimates obtained [1]. An important difference between neutron generation in a fast gas Z-pinch and neutron generation in a dense plasma focus is that the contributions of thermonuclear and beam-target mechanisms to neutron generation in a fast gas Z-pinch are comparable, whereas in a dense plasma focus the main neutron generation mechanism is the beam-target mechanism.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. F. Garanin

Russian Federal Nuclear Center—All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics

Email: vyudolinskij@vniief.ru
Russian Federation, Sarov

V. Yu. Dolinskii

Russian Federal Nuclear Center—All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics

Author for correspondence.
Email: vyudolinskij@vniief.ru
Russian Federation, Sarov

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Calculated geometry of the load node of the Angara-5-1 installation (A — anode; K — cathode; C — nozzle; KL — high-speed valve; B 0 — value of the magnetic field at the boundary; V in — deuterium velocity at the inlet).

Download (162KB)
3. Fig. 2. Distribution of deuterium density at different points in time.

Download (279KB)
4. Fig. 3. Deuterium density profiles along the axis at different moments in time.

Download (199KB)
5. Fig. 4. Dependences of the current and the current derivative of the generator of the Angara-5-1 installation on time.

Download (195KB)
6. Fig. 5. Experimental and calculated dependences of voltage on time.

Download (168KB)
7. Fig. 6. Distribution of plasma density at different moments in time.

Download (353KB)
8. Fig. 7. Distribution of plasma ion temperature at different moments in time.

Download (311KB)
9. Fig. 8. Distribution of the axial component of the electric field strength E z at different moments in time.

Download (291KB)
10. Fig. 9. Dependence of the voltage on the axis on time.

Download (157KB)
11. Fig. 10. Distribution of the value of B r at different points in time.

Download (315KB)
12. Fig. 11. Spatial distribution of neutron yield per unit volume: thermonuclear neutrons (a); accelerator neutrons (b); thermonuclear neutrons (the region 0 ≤ r ≤ 0.1, 0 ≤ z ≤ 1.5 is enlarged) (c); accelerator neutrons (the region 0 ≤ r ≤ 0.1, 0.5 ≤ z ≤ 2 is enlarged) (d).

Download (289KB)
13. Fig. 12. Neutron yield intensities for thermonuclear (dN therm / dt) and accelerator neutrons (dN acc / dt) as a function of time.

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

Download (171KB)
15. Fig. 14. Distribution of the neutron yield of accelerator neutrons by the energy of incident ions.

Download (171KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».