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。     

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。     

基于温度冲击的冷冻靶氘氘冰层结晶生长行为研究

惯性约束聚变冷冻靶中氘氘（D₂）冰层的质量对聚变实验的成功与否起重要作用。目前文献报道的制备冷冻靶D₂冰层的方法并不具备好的可操作性,且技术、工艺不定型,制约了高质量冰层的形成。因此,本文采用将温度梯度、降温速率和温度冲击相结合的技术实现燃料冰层在靶丸内的均化。通过温度控制以及施加温度冲击可控地形成残留冰,并在残留冰的控制技术基础上,实现了高质量冰层的可控结晶生长。同时,研究了温度控制对靶丸内D₂冰层品质的影响和D₂冰层结晶生长的过程,并应用晶体生长动力学理论分析了D₂冰层结晶生长行为。从背光阴影图像中的D₂冰层亮环可知,D₂冰层均匀度为85.2%、厚度为40.35 μm、内表面粗糙度为2.15 μm。本方法拓宽了超低温下D₂冰籽晶控制、晶体生长技术,为DT冷冻靶中冰层均化打下了坚实基础,并形成了一定的技术储备。     

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.     

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。     

Influence of Capsule Offset on Radiation Asymmetry in Shenguang-Ⅱ Laser Facility

The re-emitted images of the frame camera indicated that the high-Z(Bi) capsule deviated about 29 μm from the center of the hohlraum in experiments at the Shenguang-II(SG-II)laser facility; however, investigations on this issue have seldom been performed. The influence of three dimensional offsets of a capsule on its radiation asymmetry in inertial confinement fusion(ICF) will be analyzed in this paper. Simulations demonstrate that the axial offset of 100 μm of a capsule from the center of the hohlraum brings an additional 3.5% radiation drive asymmetry and 6.5% P_1 asymmetry(Legendre odd model) on the capsule in the SG-II laser facility, and the offset must be within 25 μm if the P_1 asymmetry is restricted to below 2%.     

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。     

TMP结构、材料对冷冻靶温度场的影响

氘氚冰靶的均匀性和表面光滑程度对靶的表现非常重要,高质量的冷冻靶要求靶丸表面最大温差不高于0.1 mK,而影响冷冻靶温度场的因素众多。本文采用计算流体力学软件FLUENT研究了套筒壁厚（0.2、05、0.75、1、1.25、1.5、1.75、2 mm）、材料（AL5052、SS304和高纯铜）以及黑腔结构（单凸环和双凸环）对冷冻靶温度场的影响。计算结果表明:黑腔采用双凸环结构,靶丸表面温差较小;随套筒壁厚的增加,黑腔内气体自然对流强度降低,靶丸表面温度场均匀度提高,靶丸表面温差减小;由于铜具有高的导热系数及比热,选用铜作为套筒材料使得靶丸表面温度更低,温度场更加均匀。将套筒壁厚、材料、黑腔结构综合考虑,发现套筒壁厚为1 mm、材料选用高纯铜、采用黑腔结构双凸环设计时靶丸表面温度场均匀性最好。     

Effects of TMP Structure and Material on Cryogenic Target Temperature Field

The ice layers in the deuterium-tritium capsule must be uniform and smooth enough, and the maximum temperature difference of the target surface is not higher than 0.1 mK for high quality cryogenic target. However, there are many factors affecting the cryogenic target temperature field. In this paper, the effects of sleeve wall thicknesses (0.2, 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5, 1.75 and 2 mm), materials (AL5052, SS304 and high-purity copper) and hohlraum structures (single convex and double convex) on the cryogenic target temperature field were studied with FLUENT software. The results show that the temperature difference of target surface is small when hohlraum structure is double convex ring. With the increase of sleeve wall thickness, the natural convection intensity of the hohlraum and the temperature difference on the surface of the target decrease. There is a lower temperature and more uniform temperature field around target surface when copper is used as sleeve material, because of its high heat conduction and specific heat. Considering the wall thicknesses, materials and hohlraum structures, the surface temperature field of the target is best when the sleeve adopts high-purity copper with thickness of 1 mm, and the hohlraum structure is double convex ring.     

反应堆压力容器下腔室交混特性的数值模拟方法研究

反应堆冷却剂系统蒸汽管道发生破口事故后,硼溶液在反应堆压力容器下腔室的对流交混特性对于反应堆安全分析及事故后缓解与抑制策略制定均有重要作用。本文基于实验结果分析了反应堆压力容器下腔室的交混特性及浓度扩散过程,采用数值模拟方法结合实验数据比较了几种主要模型计算结果的准确性与可靠性。分析结果表明,压力容器下腔室的交混特性呈现出外围扩散特征,温度梯度法与组分输运模型具备描述浓度梯度扩散过程的能力,但在细节分布上仍存在进一步改善与优化的空间。     

ICF分解实验中的平面调制靶和薄膜靶的研制

本工作研制了用于惯性约束聚变ICF分解实验模拟聚变靶丸表面粗糙度和驱动激光空间不均匀性对R—T不稳定性作用的平面调制靶和平面薄膜靶。以激光干涉法结合图形转移工艺获得波长20～100μm、振幅0．0～4．0μm的正弦调制图形的模板,再将调制图形转移至溴代聚苯乙烯薄膜表面,制备出ICF实验用溴代聚苯乙烯平面调制箔靶;以半导体工艺结合自截止腐蚀工艺制得厚度4μm左右的自支撑Si平面薄膜靶。Si膜的表面粗糙度为几十纳米。对所研制的两种靶型的参数进行了测量。     

超临界CO2在螺旋管中的流动换热特性研究

超临界蒸发器应用到核电中,可大幅提高机组的热效率。超临界压力流体的热物性在准临界温度附近变化非常剧烈,会对其流动和换热产生很大的影响。研究超临界压力流体在螺旋管内的流动和换热规律,有利于对超临界螺旋管蒸发器的设计。本文采用RNG k-ε和SST k-ω模型对超临界CO₂在螺旋管中的流动换热情况进行了数值模拟,发现SST k-ω模型模拟结果与实验结果符合得更好。基于此模型,分析了不同进口质量流速及不同热流密度对管壁温和换热系数的影响,发现随着质量流速的减小、热流密度的增加,峰值向远离h_pc的一侧偏移。最后讨论并分析了周向壁温和换热系数的分布情况,发现壁温在φ＝315°处最高,需在实验操作或实际运行中加以监控,以保障螺旋管蒸发器的安全运行。     

激光靶丸全表面检测与功率谱特征评价

本工作基于靶丸全球面测量的经纬迹线法,应用由原子力显微镜、精密回转气浮轴系及辅助转位轴系等组成的靶丸表面形貌测量系统,对直径0.34mm的空心塑料靶丸表面进行了测量实验。实验选择了圆周9条经圆(间隔20°),每个经圆方向上纬圆间隔10μm,最大偏移20μm的方案,获取了靶丸全球面的经纬测量迹线,并对测量结果进行了模数-功率谱特征曲线和表面均方根粗糙度的分析。     

激光惯性约束聚变裂变混合能源包层中子学数值模拟

对三维输运与燃耗耦合程序MCORGS进行了适应性改造,并对利弗莫尔实验室提出的激光惯性约束聚变裂变混合能源(LIFE)概念进行了分析和改进。输运计算采用MCNP程序,燃耗计算采用ORIGENS程序,增加氚控制模块和功率控制模块。建立了与LIFE等价的以贫化铀为燃料、Be为中子增殖剂的包层方案,通过数值模拟验证了MCORGS程序的可靠性。针对Be资源短缺及冷却复杂问题,设计了以贫化铀为燃料、Pb为中子增殖剂的包层方案,包层能量放大了4倍,可在55a内稳定输出2 000 MWt功率。     

电子束与复合靶作用后辐射特性的数值模拟

建立了复合靶的蒙特卡罗粒子输运计算模型,以“闪光二号”加速器为电子束源,模拟了电子和光子在不同材料中的输运规律,研究了钽和聚乙烯组成的复合阳极靶对辐射X射线场的影响。模拟结果表明：随着钽厚度的增加,辐射X射线平均能量增大,能量转换效率先增大后减小;聚乙烯可明显减小辐射场中的电子份额。当钽和聚乙烯的厚度分别取20 μm、3 mm时,辐射场中平均光子能量为102.68 keV;光子总能量为88.62 J,远大于电子总能量0.02 J;X射线能量转换效率为0.57%。根据数值模拟结果和实验条件设计了复合靶,计算和测得的X射线平均能量分别为108和121 keV,二者符合得较好。     

流量波动条件下圆管内流动换热特性数值研究

对流量波动条件下核动力装置系统圆管内流体的流动换热特性进行了数值研究,重点研究了波动周期、波动振幅两个因素对流动换热特性的影响。结果表明:流量波动时,通道内的摩阻系数和壁面换热系数均随时间周期性波动,且波动周期与流量波动周期相同;波动周期增加,摩阻系数波动幅值减小,壁面换热系数波动振幅变化不明显;相对振幅增加,摩阻系数波动幅值增大,壁面换热系数波动振幅增大。     

等速入口三喷口流动的温度振荡数值模拟

由于来自核反应堆堆芯不同通道冷却剂的温度存在差异,它们在上腔室混合后将产生复杂的温度振荡现象,可能干扰堆芯出口的温度测量,也可能造成周围固体结构的热疲劳破坏。本文基于FLUENT软件,采用大涡模拟湍流模型(LES)对三维平行三喷口流动进行数值模拟,并与实验结果进行了比较。结果表明：随着入口速度的增加,流体混合越来越剧烈,同时温度振荡的最大振幅逐渐减小,而相应的频率则逐渐增加。     

典型光电子器件辐射效应数值分析与试验模拟方法研究

选取Si太阳电池与线阵CCD器件，进行了光电器件辐射效应的数值分析与模拟试验方法研究。分析了光电器件电离效应和位移损伤机理，利用二维器件模拟软件MEDICI，模拟了1MeV电子对n／p型硅太阳电池主要输出参数的影响，包括开路电压Voe、短路电流Isc和最大输出功率Pmax.在一定范围内，计算结果与文献实验数据符合较好。建立了线阵CCD器件辐照效应离线测量系统。利用^60Coγ源，进行了商用器件的总剂量效应试验，给出了暗电流信号和饱和电压信号的变化曲线。     

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。     

自然循环工况非对称U型管的倒流特性研究

自然循环工况蒸汽发生器部分U型管可发生倒流。为缓解倒流,本文提出一种非对称U型管的初步设计方案,采用理论分析和数值模拟的方法对自然循环工况非对称U型管的倒流特性进行研究,建立非对称U型管流量 压降关系模型进行理论分析。针对某型核动力装置建立非对称U型管计算模型与系统分析模型,利用RELAP5/MOD32程序对不同优化方案的运行特性进行数值模拟,结果表明：增大非对称U型管的下降段与上升段的高度差,发生倒流的U型管组数减少,自然循环总流量增加。在二次侧非能动余热排出工况,非对称U型管对倒流有更为明显的缓减作用。