Hydrodynamic processes in magnetized ablation fronts
- Autores: Fernando García Rubio
- Directores de la Tesis: Fco. Javier Sanz Recio (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2018
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Ramón Sanmartín Losada (presid.), José Javier Honrubia Checa (secret.), Carlos Yañez Vico (voc.), Kunioki Mima (voc.), Gonzalo Sánchez Arriaga (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Aeroespacial por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
--- Abstract --- Magneto inertial fusion (MIF) schemes arise as a combination of the compression heating, characteristic of inertial confinement fusion, with the magnetic insulation and alpha heating enhancement typical of magnetic confinement fusion. Among them, the recently proposed magnetized liner inertial fusion (MagLIF) scheme has gained great attention in the last decade. It consists of magnetizing a cylindrical target and preheating the fuel prior to compression. Both pulsed-power and laser driven implosions have been experimentally tested, and significant increment in the neutron yield when the target was magnetized has been measured. This places MagLIF as an attractive alternative scheme in fusion research.
In this thesis, several hydrodynamic processes appearing in magneto inertial fusion have been investigated. The approach taken is based on the proposition of simple problems allowing for analytical resolution which capture the phenomenon subject of study. Apart from the physical insight obtained, the analytical solutions serve as valuable test cases to benchmark magnetohydrodynamics codes.
The hydrodynamic processes studied in this thesis concern the evolution of the corona expansion of magnetized targets, the cooling wave developing at the interface between the magnetized hot spot and the cold unmagnetized liner enclosing it, the effects of the magnetic pressure in MagLIF fusion-like plasmas, fuel pollution due to mass diffusion, magnetic flux conservation in an imploding plasma in the subsonic regime and, finally, alpha heating enhancement due to magnetization and its effect on the ignition physics.
The bulk of the thesis is devoted to the study of the magnetic flux conservation in an imploding plasma, which in turn affects the implosion hydrodynamics. The magnetic field is convected by two opposite mechanisms: plasma motion inside the hot spot, which convects it towards the center, and the thermoelectric Nernst term, which convects the magnetic field towards the liner. The overall convection direction depends on the magnetization level of the hot spot. When it is small, the Nernst term dominates and the magnetic field is convected out of the fuel, it accumulates close to the liner and is diffused in a thin layer. The Nernst term acts as an engine that degrades the magnetic flux conservation independently of how conductive the hot spot is. However, magnetization of the hot spot suppresses the Nernst term and improves the magnetic flux conservation. The center of the hot spot becomes magnetically insulated and undergoes an ideal adiabatic implosion. This desirable state is only attained if the initial parameters satisfy a certain requirement, expressed in terms of the initial electron Hall parameter and the initial Péclet and magnetic Lewis numbers.
Additionally, it is found that once the magnetic pressure becomes important, increasing further the magnetization level does not improve the magnetic flux conservation as effectively. Furthermore, the analysis of the fuel - liner mixing reveals that mass diffusion is confined within a thin layer compared to the characteristic width of the aforementioned cooling wave. Nevertheless, it may lead to a significant fuel pollution, even comparable to the one induced by microscopic mixing arisen from hydrodynamic instabilities. Finally, a dynamic ignition criterion for magnetized implosions is derived, in which the magnetic field effects on the alpha particles energy deposition is taken into account. It shows the importance of attaining a magnetization level high enough to magnetize the alpha particles.
--- Resumen --- Los esquemas de fusión llamados “magneto inertial fusion” (MIF) surgen como combinación del calentamiento por compresión, característico de la fusión por confinamiento inercial, con el aislamiento magnético e incremento de la deposición de energía de las partículas alpha, típico de la fusión por confinamiento magnético. De entre ellos, se ha prestado gran atención en la última década al recientemente propuesto “magnetized liner inertial fusion” (MagLIF). Este esquema consiste en magnetizar un blanco cilíndrico y precalentar el combustible antes de la compresión. Experimentalmente, se han realizado tanto implosiones comprimidas por máquinas de potencia pulsada como por láser, en las que se ha medido un incremento significativo en la producción de neutrones cuando el blanco se magnetiza. Este hecho muestra el atractivo de MagLIF como esquema alternativo para la investigación en fusión.
En esta tesis, se han investigado varios procesos hidrodinámicos que tienen lugar en esquemas de fusión MIF. El enfoque adoptado corresponde a la proposición de problemas simples, los cuales permiten una resolución analítica, que capturen el fenómeno sujeto a estudio. Además de la comprensión física que otorga su resolución, las soluciones analíticas son de gran interés para el testeo de códigos magnetohidrodinámicos.
Los procesos hidrodinámicos estudiados en esta tesis conciernen la evolución de la expansión de la corona en blancos magnetizado, la onda térmica que se desarrolla en la interfaz entre el núcleo caliente magnetizado y el revestimiento que lo envuelve, los efectos de presión magnética en un contexto MagLIF, la contaminación del combustible debido a la difusión másica, la conservación del flujo magnético en una implosión de plasma en régimen subsónico y, finalmente, el aumento del calentamiento por deposición de energía de las alphas debido al campo magnético y su efecto en la ignición.
El grueso de esta tesis se centra en el estudio de la conservación de campo magnético en una implosión de plasma, el cual afecta a su vez a la hidrodinámica de la misma. El campo magnético es conveccionado por dos mecanismos opuestos: el movimiento del plasma dentro del núcleo, el cual lo convecciona hacia el centro, y el efecto termoeléctrico Nernst, que lo convecciona hacia el revestimiento. El sentido neto de convección depende del nivel de magnetización del núcleo. Cuando éste es bajo, el efecto Nernst domina y el campo magnético es adveccionado fuera del combustible, se acumula cerca del revestimiento y es difundido en una capa delgada. El efecto Nernst promueve de este modo la pérdida del flujo de campo magnético independientemente de lo conductor que sea el núcleo. Sin embargo, cuando el núcleo está magnetizado, el término Nernst se reduce y se mejora la conservación del flujo. El centro del núcleo se aísla magnéticamente y experimenta una implosión adiabática ideal. A este estado de magnetización tan deseable sólo se puede llegar si los parámetros iniciales satisfacen cierto requerimeiento, el cual se expresa en términos del parámetro de Hall de los electrones y de los números de Péclet y del Lewis magnetizado iniciales.
Adicionalmente, se ha descubierto que una vez que la presión magnética es importante, incrementar más el nivel de magnetización no mejora la conservación de flujo magnético tan eficazmente. Por otra parte, el análisis del mezclado de combustible con material del revestimiento revela que la difusión másica está confinada en una capa delgada en comparación con el espesor característico de la onda térmica mencionada previamente. A pesar de ello, puede llevar a una contaminación del combustible significativa, incluso comparable a la que se induciría por un mezclado macroscópico surgido de inestabilidades hidrodinámicas. Finalmente, se ha desarrollado un criterio de ignición dinámico para implosiones magnetizadas, en el cual el efecto del campo magnético en la deposición de las partículas alpha se ha tenido en cuenta. Éste muestra la importancia de llegar a un nivel de magnetización en el estancamiento de la cápsula lo suficientemente alto como para magnetizar las partículas alpha.
