惯性约束聚变低温冷冻氘氚靶制备技术

低温冷冻氘氚靶对于惯性约束聚变研究至关重要，主要有塑料微球靶、金属铍球靶、泡沫球壳靶等。根据微球球壳材质的不同，采用不同的低温冷冻氘氚靶制备技术。塑料微球靶采用“高压充氘氚-冷冻法”或“充气管充气法”；金属铍球靶采用“低温、低压冷凝法”或“高温、高压扩散连接半球壳法”；多孔泡沫球壳靶采用“球壳材料吸附氘氚液体法”。本文简述上述技术和方法的发展状况和趋势。     

氦中痕量H2、D2组分的高精度气相色谱分析

为满足聚变堆氘氚燃料循环工艺气体中痕量氢同位素组分的特殊检测分析要求,需建立快速、高精度的在线分析方法。针对氦中痕量H₂、D₂组分,本工作以高纯氦为载气,在液氮温度下,使用自制改性Al₂O₃毛细管柱进行分离,放电氦离子化检测器进行检测。结果显示,氢氘组分的检测限不高于1×10^-8,保留时间不高于180 s,氢氘组分色谱峰峰面积响应值的相对标准偏差不大于1.0%,分离度大于1.0。本方法具有分析灵敏、快速的优点,为聚变堆包层在氘氚燃料注入系统和氢同位素分离系统中微量氚的安全分析与精确计量提供了一种有效的测量技术。     

冷冻靶的环境热辐射屏蔽技术研究

通过建立三维柱腔冷冻靶计算模型,研究了外界环境辐射对间接驱动冷冻靶靶丸及燃料冰层温度场的影响。考虑柱腔内部激光入射孔（LEH）膜透光率对柱腔内靶丸和冰层温度场分布的影响,利用COMSOL软件对柱腔冷冻靶温度场进行了数值模拟计算。研究结果表明：受外界辐射影响,靶丸表面温度场呈两极热、赤道冷分布;LEH膜透光率越大,靶丸外表面温差和冰层内表面温差越大。当LEH膜透光率小于1%时,冰层内表面最大温差低于0.1 mK,可满足冰层均化和保持的要求。实验中,通过在LEH膜上镀不同厚度的铝层调控其透光率,并选择LEH膜镀铝层厚度为35 nm的冷冻靶开展了氘氘冷冻均化实验。结果表明：当LEH膜上的镀铝层厚度为35 nm时,冰层的保持能力得到大幅提升。从X射线相衬图像可知,冰层的厚度均匀性约为80.2%,粗糙度约为1.65 μm,平均厚度约为50.5 μm。     

低能氘离子束轰击固体靶产生的远程D-D核聚变现象研究

利用强流低能氘离子束轰击由吸氢金属形成的氘自吸收靶，研究固体内Ｄ－Ｄ聚变反应规律。并通过对实验测得的Ｄ－Ｄ聚变伴随粒子能谱，探索Ｄ－Ｄ聚变反应与靶材料结构的相关性。同时，利用氘团簇离子（ｄ＾＋３）氘核（ｄ＾＋）束轰击吸氘固体，研究固体内Ｄ－Ｄ聚变反应的特性。实验中观测到了伴随离子能谱中介于质子峰（３ＭｅＶ）和氚峰（１ＭｅＶ）之间的一个宽峰。结果分析表明，该峰是由固体靶内超出离子射程几倍至十几倍处发     

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1 μm。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。     

TFTR中氘—氘聚变产物的反常损失

在TFTR^[1]中类a氘－氘（D－D）聚变产物至少有三种反常损失：（1）与米尔诺夫振荡和鱼骨型振荡以及锯齿崩溃有关的磁流体动力学（MHD）引起的D－D聚变产物的损失；（2）在无大的MHD活性时发生的部分热化D－D聚变产物慢的“延迟”损失；（3）在直接的电子加热实验期间，也可能在少数类^3He加热期间观察到的离子国顺旋共振加热（ICRH）引起的D－D 聚变产物损失。本文对上述三种情况都将评论 ，重点在由MHD活性引起的最大反常损失的那些方面。把实验结果与各种聚变产物输运机制的数值模型作了比较。     

CLAM钢中氕氘的渗透与去除

低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）是聚变堆产氚包层的优选结构材料。氢同位素在结构材料中的扩散渗透特性关系到产氚回收率、燃料循环及运行安全。本工作对国内研发RAFM钢之一的CLAM钢进行了气体驱动的氘渗透实验，得到573～873 K温度范围内氘的宏观溶解度S（mol/(m³•Pa^0.5)）为0.264exp(-22 447/RT)，扩散系数D（m²/s）为1.38×10^-7exp(-17 271/RT)，渗透率Φ（mol/(m•s•Pa^0.5)）为3.64×10^-8exp(-39 718/RT)。还进行了氕氘气体混合物的渗透实验，确认了渗透同位素效应；探索了钢中溶解氘的真空热释放去除。     

辐射条件下冷冻靶靶丸表面及充气管温度特性数值研究

在惯性约束核聚变冰层均化实验阶段，观测到充气管内冰晶无法保持，从而不能堵管，靶丸直接与高温氘气源连接，无法继续实验。为解决难以堵管的问题，本文建立了三维冷冻靶系统计算模型，研究了辐射条件下屏蔽罩温度、封口膜透射率及铝套筒表面发射率等因素对冷冻靶靶丸表面及充气管沿程温度特性的影响规律。结果表明：改变封口膜透射率能有效降低靶丸与充气管连接处的温度，在本文讨论的边界条件下，封口膜透射率大于0.025时靶丸与充气管连接处温度相对较低，晶核可维持，充气管能被堵管；而改变屏蔽罩温度及铝套筒表面发射率等做法对靶丸与充气管连接处的温度降低作用不明显，充气管无法被堵管。     

快点火用氘代聚合物空心微球研究进展

氘代聚合物空心微球是惯性约束聚变快点火物理研究中亟需的一类靶丸。本文总结近年来国内外快点火物理实验中使用的氘代聚合物空心微球种类,介绍快点火物理实验对氘代聚合物空心微球质量的严苛要求和各类氘代聚合物空心微球的制备方法,重点阐述氘代聚合物空心微球质量的影响因素和研制进展,并指出氘代聚合物空心微球研制的发展方向。     

低活化铁素体/马氏体钢CLF-1氢氘的渗透行为

低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）作为聚变堆结构材料中最有前景的候选材料,其氢同位素渗透行为备受关注。采用氢同位素气相驱动渗透的方法,对中国低活化铁素体/马氏体钢CLF-1的氢同位素渗透行为进行了研究,研究了温度、气体压强、样品表面状态等因素对其渗透行为的影响。结果表明：氢、氘在RAFM CLF-1钢中渗透扩散过程为体扩散控制,渗透率与温度的关系式均遵循Arrhenius关系;在实验测试过程中,由于样品表面发生氧化现象和缺陷捕获造成H₂和D₂渗透实验中渗透通量出现下降的现象。     

Crystal Growth Technology of Deuterium-deuterium in Cryogenic Target Based on Temperature Shock

The quality of deuterium-deuterium (D₂) ice layer in inertial confinement fusion cryogenic targets plays a crucial role in the success of fusion experiments. At present, the methods reported in the literature for preparing D₂ ice layer in cryogenic target do not have good operability, and the technology and process are indeterminate, which restricts the formation of high-quality ice layer. Therefore, in this paper, the technology of the combination of temperature gradient, cooling rate and temperature shock ice was used, and on the basis of the control technology of residual ice, the controllable growth of high-quality ice layer was realized. Meanwhile, the effect of temperature control on the crystallization quality of D₂ fuel in target pellets and the crystal growth of process of D₂ fuel at cryogenic temperature were studied. The crystallization behavior of D₂ fuel was analyzed using the crystal growth morphodynanics theory. Analysis of the bright ring in the backlit shadow image shows that D₂ ice layer uniformity is 85.2%, the thickness is 40.35 μm, and the inner surface roughness is 2.15 μm. This method broadens the technology of the control of D₂ ice seed and crystal growth at cryogenic temperature, lays a solid foundation for DT layer, and forms a certain technical reserve.     

多孔注入冷冻靶快速降温过程瞬态特性研究

高度均匀光滑的燃料冰层是惯性约束聚变冷冻靶成功点火的物质前提,其制备关键是在靶丸外建立均匀的球形温度场并进行精确控制。本文针对多孔注入冷冻靶系统,建立了三维仿真模型,数值研究了冷冻靶温度场稳态分布与瞬态降温特性,并分析了接触热阻、氦气压力等因素的影响。结果表明：冷臂温度恒定时,靶丸与充气管接触位置为低温区,激光入射口正对处为高温区,最大温差为003 mK;硅臂加热块功率突降后,靶丸表面最大温差在025 s内急剧上升至8788 mK,温度场均匀性显著恶化;与硅爪 套筒完美接触相比,低温胶层的存在可有效改善降温过程中温度场的恶化,但降温响应时间明显增加;1～10 kPa氦气压力范围内,快速降温过程中靶丸温度响应迅速,且最大温差峰值较小,有利于维持靶丸表面的温度均匀性。     

冷冻靶降温过程温度场分布及冰层生存时间研究

为在冷冻靶上成功实现惯性约束核聚变点火，需在打靶前将冷冻靶丸内冰层温度降低1.5 K。针对冷冻靶快速降温过程温度场发生突变导致冰层质量恶化的问题，数值研究了快速降温过程中冷冻靶温度场的瞬态特性，并提出了优化降温方案。数值模拟基于Boussinesq假设，通过UDF编程，获得了降温速率的影响规律，并分析比较了不同延迟时间下延迟降温的数值结果。结果表明：降温开始时，最大温差急剧增大但最终趋于稳定；减小降温速率，可有效改善靶丸表面温度的均匀性，延长冰层的生存时间，使降温结束时冰层质量满足要求；具有特定延迟时间的延迟降温能改善靶丸外表面温度的均匀性从而增加冰层的生存时间，且存在最佳延迟时间使冰层的生存时间最长。     

Adsorption capacity of hydrogen isotopes on mordenite

In a fusion reactor system, a monitoring of hydrogen isotopes including tritium is necessary for the safety of system control and operation. A gas chromatography using a cryogenic separation column is one of the methods for hydrogen isotope analysis. Synthesis zeolite such as molecular sieve 5A (CaA) is a candidate material of the separation column, and its property varies by the ratio of silica to alumina, the kinds of cation and so on. If the factor affected the hydrogen adsorption property of the synthesis zeolite is clarified, it may lead to the development of the new zeolite optimized to the separation column. So, in this work, adsorption capacity of hydrogen (H₂) and deuterium (D₂) for mordenite (MOR) and NaY type zeolite (NaY) were investigated at various temperatures, and were compared with CaA. The amount of adsorption per unit weight of MOR was larger than that of CaA, and that of NaY was smaller than that of CaA. The adsorption isotherms were expressed by sum of two Langmuir equations, and the Langmuir coefficients of H₂ and D₂ were proposed. Furthermore, the Langmuir coefficients of HD, HT, DT and T₂ were estimated by the reduced mass. The correlation between the adsorption properties and the physical parameters of the zeolite were not confirmed.     

Study of the permeability of thin films of a-Si:H using MeV ion beams

MeV heavy ion irradiation of hydrogenated plasma-deposited silicon nitride induces formation of the volatile molecules H₂ and N₂ inside the material. This type of nitride appears permeable for these molecules and they effuse at relatively low temperature. These effusing molecules are used to study the low temperature permeation in a 100 nm hydrogenated amorphous silicon layer, deposited onto the nitride. Upon irradiation of the double layer stack with 43.3 MeV Ag ions, appearance of D₂ and N₂ from the bottom deuterated silicon nitride layer in the vacuum does not take place up to an ion fluence of 3×10¹² ions/cm². This shows that the 100 nm plasma-deposited hydrogenated amorphous silicon top layer is initially not permeable for D₂ and N₂ molecules.     

UO2-x燃料芯块的晶粒生长动力学

本文采用恒速升温和等温烧结实验方法研究了亚化学计量UO_2-x燃料芯块的晶粒生长动力学。结果表明,以UO_2+x+5%U为原料,可得到密度为94.91%TD～96.23%TD（TD为理论密度）、O与U的原子个数比为1.975～1.990的合格的亚化学计量UO_2-x燃料芯块;在烧结温度≤1 650 ℃时晶粒生长速率较低,在烧结温度≥1750 ℃时晶粒生长速率较高;初始晶粒尺寸G₀不能忽略不计,亚化学计量UO₂-x燃料芯块的晶粒生长动力学符合4次方模型G⁴-G⁴₀=k₀texp(-1 000Q/RT),晶粒生长速率常数k₀=78.76 μm⁴/h,激活能Q=433.35 kJ/mol。     

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、1.6 mL燃料室,当燃料室温度升至75 K时,燃料注入量控制精度达±3 μm/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。     

热压烧结UN陶瓷芯块的性能

UN燃料具有铀密度高、熔点高、热导率高、热膨胀系数低、辐照稳定性好等优点,是未来空间核电源、核火箭、快堆和ADS的重要候选燃料。本文采用金属铀粉与氮气在300～400℃直接发生化合反应,制得单相U₂N₃粉末。粒度为38.3 μm的U₂N₃粉末在1 600 ℃真空热压烧结,制得相对密度为93.5%、存在少量金属铀相的UN陶瓷;而18.1 μm的U₂N₃粉末在1 550 ℃真空热压烧结,制得相对密度为96.1%、不残留金属铀相的UN陶瓷,U与N的总质量分数为99.57%,每个金属杂质含量均低于50 μg/g,氧含量为1 048 μg/g,碳含量为502 μg/g。U₂N₃在1 027 ℃以上将会完全分解成UN,UN在1 627 ℃以上也会发生分解。