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
Download
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)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Distribution of deuterium density at different points in time.

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

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

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

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

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

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

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

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

Download (315KB)
Indexing metadata
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)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Neutron yield intensities for thermonuclear (dN therm / dt) and accelerator neutrons (dN acc / dt) as a function of time.

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

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

Download (171KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences