屏蔽罩开启过程冷冻靶热辐射屏蔽方案研究

在激光惯性约束核聚变的点火过程中,低温屏蔽罩的移除会使大量外界环境辐射进入冷冻靶,燃料靶丸温度场的变化直接影响燃料冰层的质量。针对六端直柱腔冷冻靶展开数值模拟研究,建立了多层热辐射屏蔽结构的三维全要素模型,基于Boussinesq假设和离散坐标辐射模型,研究了低温屏蔽罩的开启速度及不同热辐射屏蔽结构等因素对靶丸温度场特性的影响。结果表明:增大低温屏蔽罩的开启速度,会加快靶丸表面温度上升的速度,并缩短最大温差峰值出现的时间和温度场的稳定时间;采用辐射屏蔽片结构优于二级冷屏,能有效减少外界高温辐射热冲击的影响,可以使低温屏蔽罩开启后靶丸表面的温升降低44.3%,最大温差的峰值降低45.2%,温度场稳定所需的时间减少5.3%;提高屏蔽片的表面发射率,缩小屏蔽片与硅臂间的距离可以进一步降低屏蔽罩开启过程中靶丸表面的温升和温度场均匀性的恶化程度。研究结果可为冷冻靶固定式热辐射屏蔽结构方案的选择以及低温屏蔽罩开启过程靶丸表面温度场的控制提供理论指导。

冷冻靶温度场瞬态响应特性及二级冷屏影响分析

针对屏蔽结构开启过程中,外界大量辐射热的传入导致的冷冻靶燃料冰层均匀性恶化问题,建立了带低温屏蔽罩和二级冷屏结构的六端直柱腔冷冻靶三维模型,基于Boussinesq假设和离散坐标(DO)辐射模型,利用FLUENT软件进行数值模拟,探究了屏蔽结构开启过程靶丸表面温度场的瞬态响应规律,研究了二级冷屏结构及其位置对瞬态温度特性的影响。结果表明:低温屏蔽罩开启过程中,在外界辐射、黑腔内气体对流及充气管导热等因素的综合影响下,靶丸表面温度快速上升,靶丸表面最大温差则先迅速上升至峰值而后下降并趋于稳定;二级冷屏结构能有效阻挡外界高温辐射,使靶丸表面最高温度的温升降低了39.5%,靶丸表面温度均匀性改善了39%;缩小二级冷屏上下侧壁面的窗口或增大上下侧壁面与靶丸中心的距离,可以进一步降低靶丸表面温升、改善温度均匀性恶化程度;靶丸表面温度对二级冷屏前端上、下侧壁面位置变化的敏感程度远大于其他侧壁面。所得结果对屏蔽结构开启过程中靶丸表面温度场的控制具有指导意义。

冷冻靶系统中半腔式与全腔式TMP的温控特性数值研究

在惯性约束核聚变实验中,为了保证良好的温控效果,TMP套筒上的温度分布需要良好地映射至金腔表面。本文分别对半腔式和全腔式TMP进行数值仿真,研究了氦气压力、凸环宽度和加热带功率等因素对TMP温控效果的影响。结果表明:在相同热边界载荷下,相比于全腔式TMP,半腔式TMP可以实现更大的温度调控范围,具有更好的温控效果;增加腔内氦气压力在一定程度上可以改善TMP的温控效果,但改善程度很小;增设凸环可以明显改善TMP温控效果,且随着凸环宽度的增大,TMP的温控效果随之增强;随着加热带功率的增大,半腔式和全腔式TMP内的金腔内表面最大温差的增速分别为0.38、0.25 K/W,表明半腔式TMP对加热带功率变化更加敏感,具有更好的温控效果。

ICF冷冻靶微管充气过程中气体压力测量

利用自主设计的冷冻靶微管充气系统,通过在常温环境下向靶盒注入氘气,研究了充气管两端压强差与充气管长度、充气速率及充气时间之间的相互关系。研究表明:微管注入法充气过程中,充气管两端的压强差先增大然后减小最终趋于0;充气管长度越小,充气速率越大,充气管两端压强差达到平衡所需的时间越短。该实验结果与根据修正后的Hagen-Poiseuille方程所得到的理论计算值相吻合。

ICF平面低温冷冻靶系统的初步设计及应用

利用Gifford-McMahon(G-M)制冷机提供低温源,研制了平面低温冷冻靶系统。该系统最低温度可以达到10 K,制冷功率随温度降低而降低,制冷速率可控。其中,在18.6 K其制冷功率可以达到6.5 W;在14 K其制冷功率为3 W。利用该系统,初步开展了氩、氢的冷冻实验,并研究了温度对激光惯性约束聚变靶丸结构的影响。获得了氩、氢平面低温冷冻靶,并观察到了低温诱导聚变靶丸形变现象。

黑腔冷冻靶传热与自然对流的数值模拟研究

惯性约束聚变的设计要求在靶丸内形成均匀光滑的氘氚冰层,靶丸周围的热环境对冰层的质量特别是低阶粗糙度有很大的影响.本文对自主研发的黑腔冷冻靶实验装置中的热物理问题展开了数值模拟,重点考察了黑腔冷冻靶的传热和流体力学特性.通过参数分析得到了自然对流对靶丸温度均匀性产生影响的临界条件.比较了黑腔不同布置朝向时的流场和温度分布,结果显示黑腔水平布置时自然对流更加强烈,造成的靶丸温度不均匀性也更大.在此基础上,讨论了消除自然对流影响的可能性,结果发现仅当黑腔垂直布置时利用黑腔分区方法能够消除对流效应对靶丸温度不均匀性的影响而黑腔水平布置时不能消除.研究结论对于实验中冷冻靶结构的设计、改进和实验的开展等具有指导意义.

ICF低温冷冻靶制备技术进展

综述了激光惯性约束聚变研究中的低温冷冻靶的各种制备方法。

ICF冷冻靶燃料冰层原位表征技术

背光阴影成像是表征ICF冷冻靶燃料冰层的有效方法。基于背光阴影成像技术,冷冻靶燃料冰层原位表征技术能原位实时监测靶丸内燃料气体相变与冰层均化过程,得到打靶零前时刻燃料冰层厚度和粗糙度信息,为物理实验提供准确参数。在冷冻靶制备实验中,根据背光阴影成像的光线追迹模型和实验测得的阴影图像中的亮环位置,计算得到了均化后冷冻靶中燃料冰层的厚度以及内表面粗糙度。

冷冻靶制备中温度控制数值模拟

在二维轴对称模型下,以及惯性约束核聚变冷冻靶制备的温度控制过程中,利用计算流体力学程序Fluent,对聚变腔内的温度场变化进行模拟。研究了腔内气体的自然对流效应对冷冻靶温度分布的影响,模拟了通过在冷却环上施加一正弦振荡的温度场来降低冷冻靶内表面粗糙度的过程,给出了动态快速冷冻方法中的靶温度随冷却环温度的变化过程。

冷冻靶制备中辅助加热的理论和数值分析

为了补偿惯性约束聚变(ICF)冷冻靶冷却过程中非球对称腔体的热流分布,通常在冷却的同时在腔外壁上施加辅助加热。在间接驱动靶中建立了1维热传导理论模型,分析所需辅助热流密度,同时在2维轴对称模型下,利用计算流体力学的FLUENT程序,对辅助加热机制进行了热力学模拟。当把辅助加热设在腔外壁的中平面上下各1.3 mm的范围时,得到了最佳辅助热流密度为635 W/m2,与理论结果基本一致。

辐射条件下球腔冷冻靶温度场分布数值研究

惯性约束聚变冷冻靶系统中,为成功实现靶丸点火,冰层厚度均匀性需达到99%,表面粗糙度的均方根要小于1μm。控制靶丸表面最大温差小于0.1 mK能满足以上点火要求。为研究辐射对惯性约束聚变间接驱动靶丸的温度场影响,建立了三维对称球腔冷冻靶系统的计算模型。考虑球腔内部激光入射口封口膜吸收率以及外部辐射温度对球腔内部温度场分布的影响,利用FLUENT软件对球腔冷冻靶温度场进行了数值模拟计算。研究表明:球腔由于自身具有的球对称几何结构,其内部的温度场分布更加均匀;受外界辐射影响,有窗侧靶丸表面温度较无窗侧温度高;辐射温度越高,靶丸表面的绝对温度越高,虽然靶丸表面的温差变化基本可忽略,但要防止由于外界辐射温度过高而导致的DT冰层均匀性恶化,应选用多层屏蔽罩结构降低辐射的影响;激光入射口封口膜吸收率大于0.2时,靶丸表面温差显著增大。

低温冷冻靶用聚合物泡沫球壳研制

利用三羟甲基丙烷三丙烯酸酯 (TMPTA)的溶液聚合反应 ,结合多次乳化技术 ,制备出了惯性约束聚变低温冷冻靶用泡沫空心微球 ,密度约为 5 0mg/cm3 ,微球直径 15 0～ 3 0 0 μm ,最大球径可达 40 0 μm以上 ,球形度好于 95 % ,泡沫蜂窝直径 2～ 5 μm。

低温冷冻靶微管燃料充注流动冷凝特性

低温冷冻靶是惯性约束核聚变装置的关键部件之一。冷冻靶靶丸位于黑腔内部,需要利用微管完成燃料充注。针对燃料在微管内发生气液相变后流入靶丸这一关键过程,研究了微通道流体与常规流体流动传热的差异。基于微通道特性对流体流动传热方程进行修正,同时建立了气液相变模型,对微充气管内燃料充注过程进行了数值计算分析。得到重力和表面张力的影响,在微通道中,重力作用可以忽略,表面张力起重要作用。得到了微尺度效应包括速度滑移和温度跳跃对流动传热过程的影响。对多种充气管结构进行比较分析,为选型提供指导。通过选择不同进口条件和出口条件,对充注量控制和充注条件选择提供了指导方案,实际充注时需要同时提高进口温度和压力,保证连续可控充注。

对流传热对冷冻靶温度影响的数值分析

利用计算流体力学的程序Fluent,以法国的兆焦激光装置LMJ为原型,研究了惯性约束聚变间接驱动靶中黑腔内填充气体的自然对流传热效应对靶丸温度分布的影响;通过在黑腔内加入聚合薄膜,减小靶表面的温度不均匀性,得到了最佳腔体分隔模式;并在分隔成7个分区的腔体中,结合调整黑腔壁上下冷却环的温度,当两冷却环之间存在±0.5mK的温差时,使得靶丸表面的温度均匀性最终能够满足聚变的要求。

冷冻靶屏蔽罩开启过程瞬态特性分析

针对冷冻靶屏蔽罩开启过程温度场发生突变导致冰层质量恶化的问题,数值研究了屏蔽罩开启过程中冷冻靶温度场的瞬态特性,并提出了温度控制优化方案。数值模拟基于Boussinesq假设和离散坐标辐射模型,借助考虑辐射环境变化的冷冻靶多重屏蔽罩非稳态模型,得到了黑腔气体压力、封口膜透射率等参数的影响规律,并分析比较了在不同冷环控制方案下开罩的数值结果。研究结果表明:屏蔽罩开启后,靶丸表面绝对温度急剧升高,均匀性迅速恶化;氦气压力增大时,开罩过程的靶丸表面绝对温度无明显变化,但最大温差显著增大;减小封口膜透射率,可有效减小靶丸表面温升和最大温差;存在一个最优冷流量,使屏蔽罩开启过程中温升和最大温差在较宽的透射率范围内满足打靶要求,所满足的透射率范围相对于定壁温开罩增加了19倍。所提优化方案对冷冻靶温度控制方面具有指导意义,可为顺利打靶提供一定的先决条件。

无抖动ICF冷冻靶干涉图像的获取

提出一种克服由于冷冻靶制冷系统和真空系统工作时引起的振动所带来的干涉图像抖动的方法。通过两个完全相同的CCD同步捕获冷冻靶干涉图像和空间位置图像,以位置图像来标定冷冻靶的振动情况,从而获得冷冻靶在不同状态下的干涉图像。在标定冷冻靶位置的过程中,提出了频率估计、投影标定、特征匹配和全匹配这4种算法,并给出了对应的数字图像处理算法流程。

ICF冷冻靶中Si冷却臂结构的初步设计

根据我国冷冻靶系统对Si冷却臂结构设计的要求,以美国国家点火装置(NIF)的点火靶系统为原型,对Si冷却臂进行了初步设计。利用SolidWorks软件建立了Si冷却臂三维实体模型,分别从力学性能、热响应和装配方面对其进行了数值模拟和分析。获得了Si冷却臂臂长、分叉长度和宽度等参数对其性能的影响规律,可为冷冻靶结构的进一步优化提供理论依据与参考。

冷冻靶中硅冷却臂的温度场和力学分析

冷冻靶是实现惯性约束聚变高能量增益的重要靶型。冷却臂是冷冻靶的重要部件之一,通过它将冷源与铝套筒相连接,用于获得靶丸内均匀氘氚冰层时所需的精确温度,同时冷却臂也用于均匀夹持铝套筒。首先测试分析了硅材料在深低温下的热传导系数,表明硅材料在该温区具有优异的热传导能力。研究了硅冷却臂结构参数对冷却臂温度场分布的影响。分析不同晶向硅冷却臂周向均匀夹持铝套筒的特性,提出基于(111)晶向硅片研制冷却臂。研究了冷却臂力臂夹持力和共振频率,并对硅冷却臂的热-结构耦合进行分析。最后设计具有16个夹持力臂的二级分叉结构的冷却臂。基于微电子机械系统技术研制了硅冷却臂样机,并测试了冷却臂的侧壁垂直度和力学特性。将研制的硅冷却臂与铝套筒进行装配,表明冷却臂中力臂的力学特性能够实现对套筒的夹持。

ICF平面冷冻靶制备中充气速率效应

基于自主研制的平面冷冻靶打靶系统及微管注入法充气/冷冻技术,探讨了不同充气速率对平面冷冻靶制备的影响。研究表明:随着充气速率的减小,靶盒内氢气压强的变化速率越小,液化过程越明显,并且持续的时间越长;充气速率越小,越能准确测量液氢在该温度下的饱和蒸气压。同时,确定了最佳充气速率,建立了利用饱和蒸气压标定液氢温度的方法。研制的平面冷冻靶已经成功提供ICF物理实验。

温度梯度对冷冻靶微管充气过程的影响

采用基于燃料室和靶室独立控温的温度梯度法开展了冷冻靶微管可控充气技术研究。理论计算结合实验研究了不同尺寸靶球充气过程中温度梯度对燃料注入过程的影响。结果表明,充气结束时燃料室最终温度变化对燃料初始注入量的差值影响随靶球尺寸变化不明显,即通过温度梯度法实现燃料可控注入的途径对任何尺寸靶球均适用。随着靶球尺寸的增大,燃料在充气管处液化时所需温度梯度越小,燃料注入过程温度梯度控制范围越大,燃料注入量控制精度越高。对于内径2 mm的靶球、1.6mL燃料室,当燃料室温度升至75K时,燃料注入量控制精度达±3μm/K。这些结果为冷冻靶燃料高精度加载技术研究提供了重要基础。