CN106098298A - 一种数十兆安级脉冲电流产生方法及z箍缩直接驱动源 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的兆安级脉冲电流产生方法及Z箍缩直接驱动源，驱动源包括初级脉冲功率源(数千个快放电支路并联)、高压传输电缆、水介质电磁感应腔、多级感应腔串联次级MITL、位于轴心的Z箍缩负载组成，数千个初级放电支路位于感应腔外围，分成数十组，初级放电支路快速放电直接获得前沿100－200ns、电压100～200kV、电流30～50kA的电脉冲。通过电缆将数千个支路电流传输汇聚到感应腔周边均布的数十个工字型三板传输线的电缆接口，经三板传输线汇聚电流到感应腔初级激磁，通过电磁感应实现电流汇聚。多级感应腔串联IVA次级采用MITL实现电压叠加和功率传输，在轴心Z箍缩负载上产生电压数MV、电流数十MA、前沿100‑200ns的超高功率电脉冲，达到Z箍缩ICF驱动电流要求。

Description

一种数十兆安级脉冲电流产生方法及Z箍缩直接驱动源

技术领域

本发明提出一种产生快前沿(70-300ns)、电流数十MA、电压数MV的拍瓦级(1PW＝1000TW)Z箍缩直接驱动源。

背景技术

利用脉冲功率技术产生数十MA的脉冲大电流通过负载(如金属丝阵列或磁套筒MagLIF、Staged Z pinch等)，电流沿轴向流动时，角向磁场将负载形成的等离子体向内箍缩，电磁能转化为等离子体动能进而转化为软X射线辐射能，压缩和辐照位于靶室中央的氘氚靶丸，达到聚变点火条件，称之为Z箍缩惯性约束聚变(简称Z-ICF)；进一步提高电流和辐照能量，聚变产额增加，实现能量持续输出，称之为Z箍缩惯性聚变能(简称Z-IFE)。与磁约束聚变和激光约束聚变相比，Z箍缩ICF能量转化效率高、装置造价相对较低，可驱动纯聚变堆，也可驱动聚变－裂变混合堆(简称Z-FFR)，是一种很有发展前景和竞争力的ICF与IFE技术途径。国内提出了一种Z箍缩驱动聚变－裂变次临界能源堆(Z-FFR)概念，将Z箍缩ICF与传统次临界堆技术结合，Z－ICF作为高能中子源，驱动次临界包层和产氚包层，主要靠裂变释放能量，同时实现氚自持，是一种很有发展前景和技术优势的核能技术，理论计算表明电流30MA可实现点火、60MA可实现有价值的能量产出,并要求驱动源功率达数百TW至拍瓦(PW)，电流前沿150-200ns，重复频率约0.1Hz，寿命大于三百万次，系统有较好经济性等。从Z箍缩IFE对驱动源重频运行和长寿命的要求看，传统技术路线(水介质电容储能、几级脉冲压缩，如美国SNL 26MA ZR装置)由于脉冲开关工作电压高、传导电流大，寿命有限(ZR 6MV/800kA中储开关寿命仅百次)，难以满足重频运行要求。

国内外提出了多种电流60MA以上、前沿100ns-200ns的Z箍缩ICF/IFE驱动源概念设计，其中LTD被国内外公认为技术最先进、最有发展前景的下一代脉冲驱动源技术。LTD本质上是一种电容和开关等储能与脉冲形成部件都位于感应腔内的感应电压叠加器(简称IVA)。LTD型驱动源重复频率运行能力和寿命决定于电容器、开关器件及其同步触发系统等。

目前国际上Z箍缩ICF大型LTD驱动源的概念设计多数以俄罗斯大电流所(简称HCEI)研制成功的1MA LTD模块为基础。2015年11月，美国圣地亚国家实验室(SNL)Stygar等提出了用于高能密度物理实验的两种拍瓦级LTD驱动源Z300和Z800的概念设计。Z300和Z-800是目前最先进的大型Z-ICF驱动源概念设计之一。Z-300直径35m、储能48MJ，驱动磁化套筒聚变靶(简称MagLIF)电流达48MA，前沿154ns，电功率870TW，目标是实现聚变点火，即聚变产额大于驱动源传输到套筒的能量。Z300三层共90路LTD并联，每路33级串联，模块直径2m，高度22cm，由20个5GW支路组成，共需2970模块，59400个支路。Z-800直径52m，储能130MJ，驱动MagLIF电流达65MA，前沿113ns，功率2500TW，目标是获得高产额聚变(7GJ)，即聚变产额大于驱动源储能。Z800也分三层共90路LTD并联，每路60级串联，模块直径2.5m，由30个5GW支路组成，共5400个模块，162000个支路。Z300、Z800LTD次级都采用阻抗匹配的水介质传输线，经三层三板径向水介质变阻抗传输线将电流汇聚、传输至绝缘堆。

Z-800方案与2007年Stygar提出的210路LTD驱动源方案相比，驱动源直径从Ф104m、三层210路(每路60级直径3m的1MA模块串联)并联，降低为直径54m、三层90路(每路60级直径2.5m模块串联)并联，两种概念设计输出电流及脉冲前沿基本相同，但Z-800大幅降低了装置直径和模块数量)。

尽管近二十年来LTD技术取得显著进展，被认为是自1924年Marx发生器发明以来脉冲功率技术领域最重大的进步，但至今为止国内外尚未建成电流10MA以上的大型LTD驱动源，目前大多数拍瓦级LTD驱动源多处于概念设计阶段。上述拍瓦级LTD型驱动源概念设计中，前级脉冲源采用LTD直接驱动，经整体径向变阻抗水线到大尺寸真空绝缘堆，数十路LTD并联后仍采用类似传统技术路线的多层MITL汇聚结构，仍然需要大尺寸高压真空绝缘堆和多层MITL穿孔结构。大尺寸高压真空绝缘堆电感大(约24nH)，要负载达到电流60MA，绝缘堆处驱动电压需要20MV，电压利用率较低，且绝缘堆距离靶室较近，中子辐照下绝缘堆材料寿命有限。多层MITL汇流穿孔结构原理上无法避免零磁场区域的较大的电流损失。降低了负载电流的利用效率。前级LTD驱动源数十万只(Z-800开关数量32.4万)开关的同步触发和可靠稳定一直是制约LTD技术发展的瓶颈。此外，LTD驱动源的故障障甄别和维护性差，更换部件比较困难。综上所述，要实现Z箍缩ICF，除继续发展LTD技术外，还需要寻求更先进的直接驱动Z箍缩负载脉冲源电路拓扑和技术路线。

发明内容

为了解决现有LTD驱动源电压利用率较低、可靠性差及维护性差的技术问题，本发明提出一种数十兆安级脉冲电流产生方法及Z箍缩直接驱动源。

本发明的技术解决方案是：

本发明所提供的数十兆安级脉冲电流产生方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)采用初级放电支路放电，直接产生初级电脉冲；

2)各初级放电支路通过电缆，传输电脉冲到水介质三板传输线进行初步的电流汇聚；

3)多路水介质三板传输线圆周均匀布置，并联连接到电磁感应腔，再次进行电流汇聚，获得超高功率脉冲；

4)多级电磁感应腔串联组成感应电压叠加器，提高驱动源输出电压；

次级采用真空磁绝缘传输线实现电压叠加和功率传输，在轴心Z箍缩负载产生超高功率电脉冲，达到Z箍缩惯性约束聚变驱动电流要求。

上述初级电脉冲的前沿为70-300ns、电流幅值为30-50kA，初步电流汇聚后的幅值为1MA，再次电流汇聚后的电流幅值为20～40MA。

本发明所提供的产生数十兆安级脉冲电流的Z箍缩直接驱动源，包括感应电压叠加器和初级脉冲源，其特殊之处在于：

所述感应电压叠加器由多级电磁感应腔和磁绝缘传输线组成，所述多级电磁感应腔沿磁绝缘传输线轴向串联；

所述初级脉冲源包括设置在每级电磁感应腔外侧的N路水介质三板传输线和2*N*P个初级放电支路，N为自然数，P为三板传输线的输入接口数量，所述N路水介质三板传输线并联连接到电磁感应腔，且沿电磁感应腔轴向外侧圆周分两层布置，一层为正极性三板传输线，另一层为负极性三板传输线，

所述2*N*P个初级放电支路包括N*P个正放电支路和N*P个负放电支路，所述N*P个正放电支路通过电缆与正极性三板传输线连接，所述N*P个负放电支路通过电缆与负极性三板传输线连接。

上述述感应腔采用去离子水介质绝缘，感应腔包括正极性电流脉冲汇聚板、负极性电流脉冲汇聚板、绝缘堆和磁芯；

所述绝缘堆用于支撑正极性电流脉冲汇聚板和负极性电流脉冲汇聚板，所述正极性电流脉冲汇聚电流板和负极性电流脉冲汇聚电流板分别与正极性三板传输线和负极性三板传输线对应连接；

所述绝缘子作为次级绝缘传输线真空与初级水介质分界面。

上述电缆的特征阻抗与初级放电支路回路阻抗匹配。

上述电缆的电气长度大于脉冲宽度的2倍。

上述水介质三板传输线包括内电极、外电极及多个电缆插接孔，

定义径向三板传输线垂直于功率传输方向的截面为横截面，所述内电极与外电极的横截面沿传输方向逐渐减小，所述外电极与内电极的横截面均为工字型，且外电极开设有与内电极形状及尺寸相匹配的工字型空腔，所述内电极沿传输方向嵌套于外电极中且与外电极之间具有间隙；内、外电极的间隙充去离子水作为绝缘介质；

所述外电极的两侧为由工字型结构所形成的凹槽；所述多个电缆插接孔设置在外电极两侧的凹槽处。

本发明与现有技术相比优点是：

与目前国际上技术先进的用于Z箍缩惯性约束聚变和聚变能源的下一代大型直线型变压器驱动源(简称LTD)相比，本发明具有以下技术优点：

1)本发明采用超低阻抗感应腔实现数十MA脉冲电流汇聚，单级感应腔连接匹配负载可以获得电压200-400kV、电流数十MA的超高功率脉冲。与现有驱动源相比，无需采用多层电流汇聚，降低了因汇聚穿孔结构零磁区域引起的电流损失。

2)数十级感应腔串联组成感应电压叠加器(IVA)，提高驱动源输出电压幅值，次级采用同轴型磁绝缘线实现电压叠加和功率传输。

3)本发明驱动源中只有一路感应电压叠加器(IVA)，产生相同负载电压时，所需磁芯数量仅为n路并联大型LTD驱动源的1/n。例如，背景技术中Z-800驱动源为90路并联LTD，每路都需要大尺寸非晶磁芯，磁芯伏秒积由传输的脉冲电压与脉宽决定，90路并联共需要90套磁芯。本发明中需要磁芯伏秒数为Z-800的1/90。

4)感应腔采用小尺寸、低电压的绝缘堆作为次级真空MITL与初级水介质区域的分界面，感应腔绝缘堆耐受电压约数百千伏(取决于初级放电单元脉冲幅值)。与现有驱动源(ZR和Z800)采用的数兆伏高电压、大尺寸绝缘堆相比，极大地降低了绝缘堆设计难度。此外，除IVA下游靠近负载区域的几级感应腔外，其它各级感应腔远离负载区域，降低了负载区域辐射射线和粒子对绝缘堆的影响，提高了绝缘堆的可靠性。

5)感应腔圆周均布多路工字型三板传输线，每路工字型传输线通过数十根高压电缆连接多个初级放电支路，初级放电支路位于感应腔外围，易于维护和检修。各初级放电支路之间因电缆传输时间相互隔离，避免了LTD驱动源中各支路之间耦合干扰的难题。

6)本发明采用工字型脉冲三板传输线实现初级放电支路与感应腔的电气连接。实现大尺寸脉冲功率系统向小尺寸负载的脉冲传输和汇聚，即能量和功率空间尺度的压缩。具有以下优点：

6.1、低阻抗：本发明三板传输线横截面呈“工”字型，本质上为两个常用的三平板传输线的并联，因此其特征阻抗降低1/2。

6.2、调节灵活：能够根据负载的实际需要，对工字型传输线的输出电流波形进行灵活调节。改变工字型传输线馈入高压电缆的数目，以调节输出电流幅值；调整各电缆的脉冲馈入时间，调整输出电流上升时间。

6.3、尺寸小，结构紧凑：它的工作电压200～400kV，特征阻抗小于1Ω，结构紧凑小巧，在下一代电流数十MA的Z箍缩和等熵压缩驱动器中具有潜在应用价值。

附图说明

图1(a)为本发明驱动源剖视图；

图1(b)为本发明驱动源俯视图；

图2为三板传输线剖视图；

图3为三板传输线立体视图；

图4为本发明中的数十MAZ箍缩负载驱动源简化等效电路；

图5为不同负载参数下负载电流波形。

其中附图标记为：1-正极性初级放电支路；11-负极性初级放电支路；2-与初级放电支路阻抗匹配的正极性脉冲传输电缆；3-与初级放电支路阻抗匹配的负极性脉冲传输电缆；4-水介质感应腔腔体；5-正极性电流脉冲汇聚板；6-感应腔磁芯；7-绝缘堆；8-MITL；9-Z箍缩负载；10-负极性电流脉冲汇聚板；12-电缆接口；13-三板传输线；21-内电极；22-外电极，23-电缆插接孔。

具体实施方式

以下从本发明的核心思想出发，并结合附图1对本发明做详细说明。

本发明所述的一种产生快前沿数十MA电流的Z箍缩直接驱动源的技术路线和概念结构如图1所示，(a)为驱动源结构剖视图，(b)为俯视图。主要由五部分组成，初级脉冲功率源(数千个快放电支路并联)、高压传输电缆、水介质电磁感应腔、多级感应腔串联次级MITL、位于轴心的Z箍缩负载组成，图1中，采用数千个初级放电支路位于感应腔外围，分成数十组(实施例为36组)，初级放电支路快速放电直接获得前沿100－200ns、电压100～200kV、电流30～50kA的电脉冲。与初级放电支路阻抗匹配的正极性脉冲传输电缆2和与初级放电支路阻抗匹配的负极性脉冲传输电缆3，将数千个支路电流传输汇聚到感应腔周边均布的数十个工字型三板传输线13的电缆接口12(实施例为36个工字型三板传输线)，电缆接地外皮与工字型三板传输线外电极连接，电缆芯线与工字型三板传输线内电极连接，实现数千个放电支路电流汇聚。经三板传输线汇聚电流到水介质感应腔腔体4内径向水介质双板传输线正极性电流脉冲汇聚板5和负极性电流脉冲汇聚板10，正、负极性电流脉冲汇聚板由绝缘堆7支撑。6为感应腔磁芯，正、负电极板传输脉冲电流到电磁感应腔初级激磁，通过电磁感应实现电流汇聚。多级感应腔串联IVA次级采用MITL 8实现电压叠加和功率传输，在轴心Z箍缩负载上产生电压数MV、电流数十MA、前沿100-200ns的超高功率电脉冲，达到Z箍缩ICF驱动电流要求。

实施例：

1)脉冲功率源结构

初级放电支路采用2级正、负极性充电的Marx，采用4只容量80nF双端出线、工作电压100kV的塑壳电容器和2只低电感气体开关，初级放电支路等效电感480nH、等效串联电容为20nF、等效串联电阻0.6Ω。上述放电支路的匹配阻抗为5.9Ω，标称储能1.6kJ。电容器充电100kV时，每个初级放电支路可为匹配负载提供220kV/37.3kA的电脉冲。该电脉冲经阻抗匹配(5.9匹)的高压电缆传输至感应腔周围的工字型三板传输线。

在每级感应腔周边分上、下两层均匀布置72个工字型三板传输线，每层36个。每个工字型三板传输线由30根高压电缆馈入脉冲电流。阻抗匹配时感应腔绝缘堆上电压为±220kV，即440kV，单级感应腔输出脉冲电流37.3kA×36×30≈40.3MA。单级感应腔需要的初级放电支路数和高压电缆数目均为72×30＝2160。

10级感应腔串联组成Z箍缩直接驱动源，阻抗匹配时，负载电压为440×40＝4400kV，即4.4MV，负载电流为40.3MA，。上述驱动源共需要初级放电支路数和高压馈电电缆数目为21600个，开关数量为21600个。上述驱动源共计储能34560kJ，约34.6MJ。背景技术中Z-300驱动源储能为48MJ，电流幅值48MA，其支路和开关数目均为59400。

2)电路参数计算

a)前级脉冲源

上述10级感应腔(每级感应腔72个工字型三板线，每个三板线馈入30根高压电缆)串联驱动源，假定初级放电支路按理想IVA时序同步放电，初级放电支路等效参数如下：

等效电感：L＝480nH×2×10÷(30×36)≈8.89nH

等效电容：C＝20nF÷2÷10×30×36≈1080nF

等效串联电阻：R＝0.6Ω×2×10÷(30×36)≈11.11mΩ

电容器充电±100kV，10级串联电容器等效充电电压为8MV

b)高压电缆

每个初级放电支路连接阻抗匹配的水介质电缆，电缆特征阻抗为

$Z_{cable}=1.10\sqrt{L_s/C_s}+0.80R_s\≈5.9\mathrm{\Ω}$

10级感应腔串联电缆数量为21600根，其等效阻抗为：

Z_eq＝5.9×2×10/(30×36)≈0.109Ω

水电缆长度20m，脉冲传输时间长度600ns。

c)工字型三板传输线和感应腔双板径向传输线

假定每个工字型水介质三板传输线与30根馈入电缆的特征阻抗匹配，即5.9÷30≈0.197Ω。上述10级感应腔串联驱动源工字型三板传输线的等效阻抗为

Z_Triplate＝0.197×2×10÷36≈0.109Ω

感应腔双板径向线阻抗与72个工字型三板传输线阻抗匹配，即阻抗为0.197÷36×2≈0.0109Ω。上述10级感应腔串联驱动源双板径向线的等效阻抗为

Z_ridus＝0.0109×10≈0.109Ω

d)非晶磁芯

根据厂家现有生产条件，磁芯外径设计为Ф2000mm，内径Ф1600mm，单只绝缘壳内封装2只高度26mm非晶磁芯，磁芯带材厚度25μm，绝缘壳厚度5mm，封装后尺寸：外径Ф2010，内径Ф1590mm，高度70mm。非晶涂层磁芯叠片系数0.8，ΔB＝2.2T，则单只磁芯伏秒数：18.3mVs。

感应腔馈入正负极性脉冲电压：220kV，前沿200ns，FWHM为300ns，需要的伏秒数：132mVs，单极性脉冲需要7.2只磁芯。本实施例中单级感应腔安置8只磁环。

e)次级MITL

MITL阳极半径r_a＝1500mm，传输数十MA大电流，运行在超磁绝缘。MITL阴极内筒为直筒式结构，最大阴-阳极间距5mm，其真空阻抗为

$Z_{vacuum}=60ln\left(\frac{r_a}{r_c}\right)\≈0.401\mathrm{\Ω}$

由磁绝缘运行阻抗Z_op与真空阻抗Z_vacuum的关系，确定MITL运行阻抗

$Z_f=\frac{2}{3}\·0.9\·Z_V=0.241\mathrm{\Ω}$

10级感应腔高度8.95m，同轴段MITL 8.95m，圆锥状MITL高度0.5m，总高度约9.45m，脉冲传输时间约30ns。

f)Z箍缩负载等效电气参数

根据国外相关文献，MagLiF负载初始电感2.91nH，压缩比约为10:1，滞止段电感4.6nH，等效电阻0.1-0.2。

3)电路模拟结果

基于上述电路参数，建立本发明中Z箍缩负载驱动源的简化等效电路模型，如图4所示。电路模拟得到不同负载参数下，负载电流如图5所示。

表 不同负载参数下驱动源负载电流

凡采用快放电支路并联、匹配高压电缆传输、工字型水介质三板传输线汇聚脉冲、水介质电磁感应腔多级串联、次级MITL实现电压叠加和功率传输的技术路线都为本发明保护范围。

Claims (7)

1.一种数十兆安级脉冲电流产生方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)采用初级放电支路放电，直接产生初级电脉冲；

2)各初级放电支路通过电缆，传输电脉冲到水介质三板传输线进行初步的电流汇聚；

3)多路水介质三板传输线圆周均匀布置，并联连接到电磁感应腔，再次进行电流汇聚，获得超高功率脉冲；

4)多级电磁感应腔串联组成感应电压叠加器，提高驱动源输出电压；

次级采用真空磁绝缘传输线实现电压叠加和功率传输，在轴心Z箍缩负载产生超高功率电脉冲，达到Z箍缩惯性约束聚变驱动电流要求。

2.根据权利要求1所述的数十兆安级脉冲电流产生方法，其特征在于：

所述初级电脉冲的前沿为70-300ns、电流幅值为30-50kA，初步电流汇聚后的幅值为1MA，再次电流汇聚后的电流幅值为20～40MA。

3.一种产生数十兆安级脉冲电流的Z箍缩直接驱动源，包括感应电压叠加器和初级脉冲源，其特征在于：

所述感应电压叠加器由多级电磁感应腔和磁绝缘传输线组成，所述多级电磁感应腔沿磁绝缘传输线轴向串联；

所述初级脉冲源包括设置在每级电磁感应腔外侧的N路水介质三板传输线和2*N*P个初级放电支路，N为自然数，P为三板传输线的输入接口数量，所述N路水介质三板传输线并联连接到电磁感应腔，且沿电磁感应腔轴向外侧圆周分两层布置，一层为正极性三板传输线，另一层为负极性三板传输线，

所述2*N*P个初级放电支路包括N*P个正放电支路和N*P个负放电支路，所述N*P个正放电支路通过电缆与正极性三板传输线连接，所述N*P个负放电支路通过电缆与负极性三板传输线连接。

4.根据权利要求3所述的产生数十兆安级脉冲电流的Z箍缩直接驱动源，其特征在于：

所述感应腔采用去离子水介质绝缘，感应腔包括正极性电流脉冲汇聚板、负极性电流脉冲汇聚板、绝缘堆和磁芯；

所述绝缘堆用于支撑正极性电流脉冲汇聚板和负极性电流脉冲汇聚板，所述正极性电流脉冲汇聚电流板和负极性电流脉冲汇聚电流板分别与正极性三板传输线和负极性三板传输线对应连接；

所述绝缘子作为次级绝缘传输线真空与初级水介质分界面。

5.根据权利要求4所述的产生数十兆安级脉冲电流的Z箍缩直接驱动源，其特征在于：

所述电缆的特征阻抗与初级放电支路回路阻抗匹配。

6.根据权利要求5所述的产生数十兆安级脉冲电流的Z箍缩直接驱动源，其特征在于：

所述电缆的电气长度大于脉冲宽度的2倍。

7.根据权利要求3或4或5或6所述的产生数十兆安级脉冲电流的Z箍缩直接驱动源，其特征在于：

所述水介质三板传输线包括内电极、外电极及多个电缆插接孔，

定义径向三板传输线垂直于功率传输方向的截面为横截面，所述内电极与外电极的横截面沿传输方向逐渐减小，所述外电极与内电极的横截面均为工字型，且外电极开设有与内电极形状及尺寸相匹配的工字型空腔，所述内电极沿传输方向嵌套于外电极中且与外电极之间具有间隙；内、外电极的间隙充去离子水作为绝缘介质；

所述外电极的两侧为由工字型结构所形成的凹槽；所述多个电缆插接孔设置在外电极两侧的凹槽处。