Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2021, T. 498, № 1, стр. 7-10

Для исследований свойств веществ и моделирования физических процессов при высоких плотностях энергии, а также для термоядерных исследований, необходимы источники электромагнитной энергии в десятки МДж. В качестве таких источников могут использоваться взрывомагнитные генераторы (ВМГ) [1]. А.Д. Сахаров в 1951 г. высказал идею о переводе энергии взрывчатого вещества в энергию магнитного поля путем быстрой деформации токового контура. Явление было названо магнитной кумуляцией.

ВМГ работают на принципе сохранения магнитного потока Φ = LJ, где J – ток, L – индуктивность токового контура. При деформации контура взрывчатым веществом (ВВ) с сохранением потока его индуктивность падает, ток увеличивает. Одновременно растет и магнитная энергия W:

где L₀, J₀, W₀ – начальные значения индуктивности, тока и магнитной энергии.

Существуют два основных ограничения, накладываемых на скорость сжатия. Во-первых, для минимизации диффузионных потерь потока магнитного поля сжатие должно быть достаточно быстрым или $\frac{{dL}}{{dt}} \gg R$, где R – сопротивление контура. Во-вторых, поскольку при быстром изменении потока Φ появляется высокое электрическое напряжение $U = - \frac{{LdI}}{{dt}}$, необходимо обеспечить достаточно прочную электрическую изоляцию, предохраняющую от электрических пробоев. Отсюда видно, что для эффективной работы генератора желательно поддерживать напряжение постоянным на максимально допустимой величине. При отсутствии потерь потока это достигается при экспоненциальном законе вывода индуктивности.

В дисковых взрывомагнитных генераторах (ДВМГ) деформируемый контур (рис. 1) образован двумя токопроводами: наружным цилиндрическим и внутренним, выполненным в виде последовательно соединенных тонкостенных медных дисков. Внизу диски попарно соединяются медными цилиндрическими перемычками. Пространство под перемычками заполнено ВВ. Все заряды в ДВМГ инициируются одновременно. Под действием продуктов взрыва соседние диски схлопываются, выводя магнитный поток в коаксиальную передающую линию и нагрузку. Для создания начального потока в ДВМГ применяют спиральные ВМГ(СВМГ) [1].

Быстрый вывод индуктивности в ДВМГ реализуется сжатием токового контура вдоль оси встречным движением поверхностей медных дисков. При этом близкий к экспоненциальному закон вывода индуктивности обеспечивается профилированием дисковых элементов.

ДВМГ были предложены В.К. Чернышевым в 1961 г. Им же и сотрудниками была экспериментально подтверждена их работоспособность [2] – в пятиэлементном генераторе диаметром 400 мм начальный ток в 6.5 МА был увеличен до 90 МА за время ∼5 мкс; магнитная энергия в нагрузке составила ∼10 МДж. Возможность увеличения энергии путем наращивания числа элементов была проверена в эксперименте с десятимодульным ДВМГ диаметром 400 мм, в котором амплитуда импульса тока достигла 108 МА, энергии магнитного поля 27.5 МДж.

Исследования 1970–1980-х годов завершились созданием ДВМГ семейства “Поток” с зарядами ВВ диаметром 250, 400 и 1000 мм [3]. Эти генераторы создают токи от 60 до 300 МА за время от 4 до 10 мкс при выходной энергии от 20 до 200 МДж.

Дальнейшее развитие ДВМГ велось по пути упрощения (удешевления) конструкции и увеличения эффективности преобразования энергии ВВ в энергию магнитного поля [4]. Для этих целей предложено перейти от профилированных к плоским дисковым элементам (см. рис. 1) с обеспечением близкого к экспоненциальному закону вывода индуктивности путем помещения в полость сжатия металлических инертных вставок [5].

Ниже представлены результаты первого этапа исследований, направленных на разработку ДВМГ нового поколения, который завершился разработкой ДВМГ малого класса (диаметр 250 мм).

Экспериментальная отработка конструкции генераторов проводилась с ДВМГ малого класса в составе трех элементов. Начальный поток создавался СВМГ диаметром 100 мм. Результаты эксперимента с оптимизированной конструкцией генератора, работающего на жесткую нагрузку с индуктивностью L ≈ 1.2 нГн, представлены на рис. 2. Там же приведен результат расчетного прогноза. Видно, что начальный ток генератора ≈5.8 МА был усилен до J ≈ 56 МА за характерное время ≈4 мкс (полное время работы генератора ≈13.5 мкс). Полная энергия, переданная в нагрузку, составила LJ²/2 ≈ 1.9 МДж. С учетом массы ВВ в дисковом элементе 0.75 кг эффективность преобразования энергии ВВ в энергию магнитного поля составила η ≈ 0.84 МДж/(кг ВВ). В ДВМГ семейства “Поток” малого и среднего класса величина η ≤ 0.4 МДж/(кг ВВ).

Возможность увеличения энергии путем наращивания числа дисковых элементов была проверена в эксперименте с 30-модульным ДВМГ диаметром 250 мм (рис. 3), в котором при работе на индуктивность ≈10 нГн амплитуда импульса тока достигла 63 МА, энергии магнитного поля ≈20 МДж, эффективность преобразования энергии ВВ в магнитное поле ≈18%. Начальный поток в генераторе, равный ∼1 Вебер (ток ∼5.5 МА), создавался специально разработанным для этих целей быстродействующим СВМГ диаметром 400 мм. Для реализации ДВМГ, работающего в составе 30 модулей, была создана новая система инициирования. Ранее генераторы семейства “Поток” эксплуатировались в составе не более 15 элементов.

Пусть начальная кинетическая энергия тарелей дисковых элементов E_k составляет долю η_ex от энергии ВВ E_ex – E_k = η_ex · E_ex. При отсутствии потерь потока и полном переводе кинетической энергии E_k в энергию магнитного поля E_M получаем ${{E}_{M}} = \frac{1}{2} \cdot \frac{{\Phi _{0}^{2}}}{{{{L}_{k}}}} = {{\eta }_{{ex}}} \cdot {{E}_{{ex}}}$, где Φ₀ – поток, L_k – конечная индуктивность контура ДВМГ. В случае сохранения доли η от начального потока E_M = = $\frac{1}{2} \cdot {{\eta }^{2}} \cdot \frac{{\Phi _{0}^{2}}}{{{{L}_{k}}}}$ или с учетом предыдущего – $\frac{{{{E}_{M}}}}{{{{E}_{{ex}}}}}\, = \,{{\eta }_{{ex}}}{{\eta }^{2}}$. Для ДВМГ малого и среднего классов величина η ≈ 0.6.

Согласно формуле Е.И. Забабахина [6], при ускорении ВВ максимальная скорость движения несжимаемой жидкой оболочки W_sh связана со скоростью волны детонации D соотношением

где α – отношение масс единицы площади BB (m_ex) и оболочки (m_sh).

Исходя из этого, эффективность преобразования энергии ВВ в кинетическую энергию тарелей дискового элемента ДВМГ оценивается из

Величина η_ex достигает максимального значения η_m ≈ 70% при α = $\frac{{81}}{{32}}$ $\left( {{{W}_{{sh}}} = \frac{D}{3}} \right)$.

Таким образом, реализованная эффективность преобразования энергии ВВ в энергию магнитного поля g ≈ 18% близка к теоретическому пределу $\frac{{{{E}_{M}}}}{{{{E}_{{ex}}}}}$ = η_m η² ≈ 25%. Дальнейшее совершенствование ДВМГ по этому критерию, по-видимому, бессмысленно.

Для сокращения времени нарастания тока в ДВМГ нового поколения применяются малоиндуктивные электровзрывные размыкатели тока, выполненные в виде “змейки” [7]. На рис. 4 приведены результаты испытания ДВМГ нового поколения в составе 30 элементов, оснащенного электровзрывным размыкателем тока. Ток в нагрузке с индуктивностью ≈4 нГн составил ≈40 МА при времени нарастания ≈2 мкс. Время нарастания тока может быть сокращено до ≈1 мкс путем подбора момента срабатывания взрывного замыкающего ключа, размещенного за размыкателем тока, или использованием вместо него разрядника-обострителя. В опыте взрывной замыкающий ключ сработал при напряжении на электровзрывном размыкателе тока ≈20 кВ.

Таким образом, создан ДВМГ малого класса нового поколения с эффективностью преобразования энергии ВВ в энергию магнитного поля, более чем в два раза превышающую ранее достигнутый уровень. В дальнейшем предполагается реализовать ДВМГ среднего класса (диаметр 400 мм). Простая конструкция и развитые расчетные методы ставят задачу проектирования ДВМГ без предварительной экспериментальной отработки с оптимальным для заданной нагрузки диаметром дисковых элементов.