Resumen en español

Se presenta un conjunto de herramientas que conforman un sistema de diseño asistido por computadora para la ingeniería y diseño de dispositivos Plasma Focus. El diseño e implementación de una arquitectura orientada a objetos que soporta modelos matemáticos con diversos métodos de resolución y elementos discretizados espacialmente fue el paso inicial del trabajo, conformando una base general para la implementación de simuladores de este tipo. Haciendo uso de ésta se implementó el simulador de dispositivos Plasma Focus, principal objeto de este trabajo. Se ha desarrollado un modelo matemático discreto deformable, que evita la introducción de parámetros concentrados, con el cual se describe en forma bidimensional la cinemática de la lámina de corriente para geometrías arbitrarias de ánodo, cátodo y aislante, y configuraciones arbitrarias de circuito eléctrico externo. La lámina de corriente se representa mediante una discretización en segmentos cónicos axisimétricos. El movimiento de cada segmento es gobernado por las ecuaciones de Newton y en su correspondiente masa sigue la hipótesis de “barredora de nieve”. Estas ecuaciones junto con el balance energético y las ecuaciones electromagnéticas se aplican para calcular las propiedades del plasma (densidad, temperatura, masa, velocidad). Para resolver el conjunto de ecuaciones en forma numérica se ha implementado como parte de la arquitectura mencionada un integrador numérico de ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden, basado en el método de Runge-Kutta de cuarto orden. La arquitectura permite que fácilmente pueda cambiarse el método de integración sin requerir mayores modificaciones en el código del simulador en cuestión. A esto se agrega un conjunto de herramientas desarrolladas tales como el Editor de Geometrías Plasma Focus, que permite especificar gráficamente las geometrías de ánodo, cátodo y aislante de nuevos dispositivos a ser simulados; y el Generador Pov-Ray, que permite obtener imágenes 3D renderizadas y animaciones de alta calidad del movimiento de la lámina de corriente. Los resultados del simulador han sido comparados con una concordancia muy satisfactoria con numerosos datos experimentales de diversos equipos, para diferentes condiciones geométricas, eléctricas y de gas de llenado. Como resultado, se ha logrado un modelo simple, validado experimentalmente que permite calcular rápidamente la dinámica de la lámina de plasma, la evolución de las variables del circuito eléctrico y la producción neutrónica. La correcta representación de la cinemática y forma de la lámina de corriente durante su movimiento hasta el momento del foco, donde se producen los fenómenos de fusión, el correcto cálculo de la inductancia variable a medida que ésta se desplaza y de la producción neutrónica, con un mínimo de parámetros de ajuste, ha permitido obtener notables resultados y representa un avance respecto a códigos de cálculo de parámetros concentrados.