플라즈마 원 이온 주입 기술에서 쉬스 동역학 및 플라즈마의 회복에 관한 연구

Thesis(doctor`s)--서울대학교 대학원 :원자핵공학과,2007.Docto

보상 펄스 발전기의 해석, 설계 및 동작 특성에 관한 연구

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :원자핵공학과,1999.Maste

Numerical Simulation on the Formation and Pinching Plasma in X-pinch Wires on 2-D Geometry

대기압의 백만 배 이상의 강한 압력(> 1 Mbar)이 물질에 가해지면 중성입자가 전리되어 플라즈마 상태로 변하는데, 이를 고에너지밀도 플라즈마라고 한다. 이러한 플라즈마는 물질에 레이저를 조사하여 압축하는 관성 압축과 강한 펄스전류로 유도되는 자기장을 활용하는 자장 압축 방식으로 구분되며, 이중 펄스전류에 의한 세선의 내폭 현상(implosion)을 활용하는 자장 압축은 관성 핵융합(ICF, inertial confinement fusion), 방사선원(X-선), 중성자원으로 다양하게 활용되고 있다[1]. 1990년대 초 미국의 산디아 국립연구소는 고전압펄스전원장치를 통해 200 TW, 2 MJ의 세계기록의 X-선을 발생시켰으며, 2000년 이후부터는 원자번호가 높은 물질의 원통형 실린더 내폭 현상을 응용하여 핵 융합을 달성하는 Maglif(Magnetized liner inertial fusion), ZPDH(Z-pinch dynamic hohlraum)의 연구가 이루어지고 있다. 이러한 개념은 수소폭탄 개발과 직결되는 군사과학 분야로 오늘날 한반도 핵 위협이 고조되는 상황에서 고에너지밀도 플라즈마 연구는 핵 융합 현상을 활용한 무기의 위협을 이해하고 대비하기 위해서 필수적인 군사과학 분야라고 할 수 있다. 세선의 내폭 현상을 이용하는 연구 중 X자 형태로 연결한 세선에 고전압 펄스전류를 인가하여 중심부의 강한 플라즈마의 압축 현상을 활용하는 것을 엑스 핀치(X-pinch)라고 한다. 엑스 핀치 플라즈마는 짧은 시간(~ ps) 내에 중앙부의 고온, 고밀도 조건을 형성함으로써 고 출력의 방사선 (X-선)을 방출[2] 할 수 있으며, 물질과 부하의 구조를 달리함으로써 고 출력의 X-선을 한 곳에 집중시키거나 특성을 바꿀 수도 있다. 또한, 엑스 핀치는 일반적으로 알려진 세선을 원통형으로 배치하여 내폭시키는 제트 핀치(Z-pinch)에 비해 비교적 작은 파워의 펄스 전원장치에서도 엑스선 발생과 강한 압축 조건을 형성할 수 있어서 대학 규모의 연구소에서 고에너지 밀도 플라즈마 현상을 연구하는 데 많이 활용된다. 엑스 핀치의 전산해석은 주로 미국, 영국, 러시아 등 일부 국가에서 이루어졌으며, 최근 주요 연구로는 1차원으로 해석한 Oreshkin, V. I(2017)[3], 3차원으로 해석한 J. P Chittenden(2007)[4], 2차원으로 해석한 Ivanenkov, G. V(2008) 연구[5]가 있다. 세선 폭발과 관련된 수치해석의 경우 일부 국가에 연구 노하우가 집중되어 있으며, 일반적인 코드 접근이 어렵다. 일부 공개 코드(FLASH, Chicago University)의 경우도 물성을 모사할 수 있는 물리 모델이 고려되지 않아서 다양한 물질에 따른 엑스 핀치 현상을 해석하는데 제한점이 많다. 이러한 제한점들로 인해 본 연구는 새로운 자기유체역학 코드를 개발하고 엑스핀치 현상을 전산모사함으로써 코드를 검증하고자 한다. 먼저 제트 핀치(Z-pinch)나 세선 폭발과 관련된 물리 현상을 주로 해석하기 위해 영국 임페리얼 대학교에서 개발한 2차원 (r, θ) 버전의 자기유체역학코드인 GORGON[6]을 벤치 마킹하여 (r, z) 버전으로 저항 자기유체역학 코드를 개발하였다. 물성 모델 없이 단순 내폭 현상 분석만 가능한 공개 코드와 차별적으로 토마스 페르미 기반의 상태방정식과 고밀도 상황에서 쿨롱 결합을 고려한 수송계수 모델[7]을 이용하여 실제 실험과 비교 가능하도록 텅스텐 플라즈마의 특성을 모사하였으며, 이온화 평형 과정에서 발생하는 재결합 방사 손실 모델을 적용하였다. 이를 통해 본 연구진에서 개발한 엑스 핀치 장치를 대상으로 전산해석을 수행하고 엑스 핀치 플라즈마 구조에서 나타나는 코어 – 코로나, 마이크론 Z 핀치의 형성과 축 방향으로 확장되는 마이크론 Z 핀치 구조를 실험 사진과 비교하였다. 또한, 중앙부에서 생성되는 고온, 고밀도의 조건과 연계하여 증가하는 방사 손실에 대해서 살펴보았다. This paper deals with the computational work to characterize the formation and pinching of a plasma in an X-pinch configuration. A resistive magnetohydrodynamic model of a single fluid and two temperature is adopted assuming a hollow conical structure in the (r,z) domain. The model includes the thermodynamic parameter of tungsten from the corrected Thomas-Fermi EOS(equation of state), determining the average ionization charge, pressure, and internal energy. The transport coefficients, resistivity and thermal conductivity, are obtained by the corrected Lee & More model and a simple radiation loss rate by recombination process is considered in the simulation. The simulation demonstrated the formation of a core-corona plasma and intense compression process near the central region which agrees with the experimental observation in the X-pinch device at Seoul National University. In addition, it confirmed the increase in radiation loss rate with the density and temperature of the core plasma.N

Enhanced shock wave generation via pre-breakdown acceleration using water electrolysis in negative streamer pulsed spark discharges

This paper presents a method for enhancement of shock waves generated from underwater pulsed spark discharges with negative (anode-directed) subsonic streamers, for which the prebreakdown process is accelerated by preconditioning a gap with water electrolysis. Hydrogen microbubbles are produced at the cathode by the electrolysis and move towards the anode during the preconditioning phase. The numbers and spatial distributions of the microbubbles vary with the amplitude and duration of each preconditioning pulse. Under our experimental conditions, the optimum pulse duration is determined to be similar to 250 ms at a pulse voltage of 400 V, where the buoyancy force overwhelms the electric force and causes the microbubbles to be swept out from the water gap. When a high-voltage pulse is applied to the gap just after the preconditioning pulse, the pre-breakdown process is significantly accelerated in the presence of the microbubbles. At the optimum preconditioning pulse duration, the average breakdown delay is reduced by 87% and, more importantly, the energy consumed during the pre-breakdown period decreases by 83%. This reduced energy consumption during the pre-breakdown period, when combined with the morphological advantages of negative streamers, such as thicker and longer stalks, leads to a significant improvement in the measured peak pressure (similar to 40%) generated by the underwater pulsed spark discharge. This acceleration of pre-breakdown using electrolysis overcomes the biggest drawback of negative subsonic discharges, which is slow vapor bubble formation due to screening effects, and thus enhances the efficiency of the shock wave generation process using pulsed spark discharges in water. (c) 2018 Author(s).OAIID:RECH_ACHV_DSTSH_NO:T201735241RECH_ACHV_FG:RR00200001ADJUST_YN:EMP_ID:A080568CITE_RATE:3.495FILENAME:[201803 APL] Enhanced shock wave generation via pre-breakdown acceleration using water electrolysis in negative streamer PSD.pdfDEPT_NM:에너지시스템공학부EMAIL:[email protected]_YN:YFILEURL:https://srnd.snu.ac.kr/eXrepEIR/fws/file/f31ea25a-72d5-4c63-a775-6186c770a86e/linkN

Underwater spark discharge with long transmission line for cleaning horizontal wells

A transmission line is discussed for application in an underwater spark-discharge technique in the cleaning of a horizontal well by incorporating a power-transmission model into the simulation. The pulsed-spark-discharge technique has been proposed for clogged-well rehabilitation, because it removes incrustations that are attached to well screens by using strong pressure waves that are generated by the rapid expansion of a spark channel. To apply the pulsed-spark-discharge technique to the cleaning of horizontal wells, the coaxial cable between the pulsed power supply and the spark gap as a load needs to be extended to a few hundred meters. Prior to field application, pulsed-spark-discharge experiments were conducted and the role of the transmission line was examined using an improved simulation model. In the model, a non-linear interaction of the spark channel and the capacitor bank is described by the pulse-forming action of the coaxial cable. Based on the accurate physical properties of the water plasma, such as the equation of state and electrical conductivity within the region of interest, the amount of energy contributed to the development of a shock wave was evaluated. The simulation shows that if the initial conditions of the spark channel are the same, no further reduction in strength of the pressure wave occurs, even if the cable length is increased above 50 m. Hence, the degraded peak pressure that was observed in the experiments using the longer cable is attributed to a change in the initial condition of the spark channel. The parametric study suggests that the low initial charging voltage, the high ambient water pressure, and the long cable length yield the low initial spark-channel density, which results in a reduced peak pressure. The simulation of line charging is presented to discuss the principle of disturbing the pre-breakdown process by an extended cable. © 2017 Author(s).OAIID:RECH_ACHV_DSTSH_NO:T201719639RECH_ACHV_FG:RR00200001ADJUST_YN:EMP_ID:A080568CITE_RATE:0DEPT_NM:에너지시스템공학부EMAIL:[email protected]_YN:NN