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。     

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。     

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。     

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。     

冷冻靶封装套中辅助热流密度的优化

为研究达到控温要求的冷冻靶封装套辅助加热量,建立了带有屏蔽罩和暴风窗的冷冻靶的二维轴对称模型。考虑封装套外屏蔽罩辐射强度和封装套内填充气体压力对冷冻靶温度场的影响,利用FLUENT软件对冷冻靶温度场进行了数值模拟计算。结果表明：合理选择上、下辅助加热带的热流密度及其差值,可使靶丸外表面最大温差降至0.1 mK以下;辐射强度越强,气体压力越大,靶丸表面最大温差越大,为实现靶丸外表面温度均匀性要求所施加的上、下辅助热流密度的差值就应越大。     

冷却气体对黑腔系统温度场影响数值模拟

为了研究氦氢冷却气体对黑腔系统温度场的影响,采用CFD数值模拟方法,计算了氘氚靶丸外表面最大温差与填充区域的气体流场随气压、氦气含量变化的规律。通过对冷却壁面施加壁温扰动函数,监测了靶丸外表面平均温度、最大温差随时间的波动。研究结果表明：提高氦氢混合气体的填充压力或减小氦气含量,使得黑腔上下部分冷却气体自然对流强度差异增大,导致靶丸外表面温度场均匀性恶化;但降低冷却气体中氦气含量使气体导热系数减小,比热容增大,使得冷却壁温扰动对靶丸外表面温度场均匀性的影响减弱。     

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。     

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。     

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。     

背光成像技术测量冷冻靶参数研究进展

建立了可见光背光成像装置,测量距离实现了4~30 cm可调,对应分辨率为0.7 ~4.6 μm,并可对样品仓内的冷冻靶进行有效的中心定位,定位精度达0.1 mm,获得了不同分辨率下的塑料靶球与玻璃靶球的背光影像。通过获得背光图像的能量密度图及靶球的光路追踪模型,建立了靶球内部DD/DT冰层厚度的精确测量及计算方法。研究发现,将背光成像技术与干涉条纹法相结合可获得一种无损测量透明聚变靶丸材料折射率的方法。结果表明,背光成像技术是透明冷冻靶有效的诊断方法。     

五种组合氢同位素靶丸消融率的修正(英文)

对五种不同组合的固态氢同位素靶丸H2,HD,D2,DT和T2在聚变等离子体中的消融率首次作了修正研究。结果表明由于同位素效应引起的靶丸半径烧蚀率修正从氢靶丸的1下降到氚靶丸的0.487,因此在消融率计算时是不可忽略的。这些修正可导致更深的质量沉积和改善加料效率。     

蒸汽发生器试验本体快速冷却过程中主蒸汽法兰泄漏有限元分析

采用线弹性瞬态热固耦合有限元方法对高温气冷堆蒸汽发生器试验本体主蒸汽法兰在快速降温试验过程中出现的泄漏现象进行了分析。建立了主蒸汽联箱及法兰螺栓连接模型，模拟了主蒸汽法兰的预紧、加压、升温和瞬态降温过程，分析得出了导致法兰密封结构泄漏的主要因素是快速降温过程中法兰的局部变形及螺栓残余预紧力降低，导致密封面张开量大于金属O型环的可靠密封回弹量。在此基础上模拟了不同降温速率下法兰密封面的张开位移，结果表明，限制蒸汽降温速率可改善压力容器法兰的密封性能。     

高功率KrF准分子激光束平滑的研究

在ICF和X光激光产生实验中,要求将入射潦恍变成某种特定空间分布的光束,对靶进行辐照,而且对辐照均匀性有相当高的要求。激光直接驱动ICF是将激光直接辐照在球形DT靶丸上,使燃料达到高温,烧蚀后外喷,由等离子体的反冲作用聚心压缩,内爆点火。激光器直接产生的激光具有很好的相干性和光强分布不均匀性,容易引起内爆过程中流体动力学的不稳定性而破坏靶的球对称。这种不稳定性可能使靶壁和燃料物质混合,而不能达到聚变点火所要求的温度和密度。另外,在激光与物质相互作用的基础物理研究中,如物质的状态方程的研究,也需要入射激光束具有均匀的光强分布,因此,需对激光来进行平滑处理,使其具有很均匀的光强分布和空间非相干性。     

硼酸三甲酯直接热解制备碳化硼

有机溶胶-凝胶技术是目前低温合成超细碳化硼粉体的研究热点。基于该技术直接采用硼酸三甲酯作为热解原料,相比有机溶胶-凝胶技术,省去了形成凝胶这一过程,简化了操作流程。通过X射线衍射和扫描电子显微镜分析,研究了反应温度、压片压力、反应时间以及升温、降温速率对产物纯度和形态的影响。分析结果显示:在以上研究因素中,反应温度及升/降温速率对形成均匀的亚微米尺寸碳化硼起主要作用,并在1 600℃、400℃/min快速升/降温速率下得到了粒径分布在1μm左右的均匀碳化硼产物。     

固态杂质靶丸与堆级等离子体相互作用及其应用

从Kuteev的氢类靶丸2-D透镜形消融理论出发,导出了杂质靶丸烧蚀速度和消融速率的扩展算法,并对杂质靶丸注入在未来ITER中作为α粒子诊断的可行性进行了探讨。计算和理论分析表明,锂靶丸具有较多兼容性,既可用作α粒子诊断也可测量等离子体的q分布。     

ITER的靶丸加料计算(英文)

运用考虑动力效应的Kuteev2-D透镜模型,数值计算了靶丸在国际热核实验堆(ITER)中的消融率,讨论了目前现有的加料工艺的技术困难和可能的解决办法。数值积分结果发现目前已有的靶丸加料技术很难满足堆级等离子体ITER中心加料的要求,计算表明对一个2m长的单级气动枪要加速一个半径0.5cm的靶丸达到速度24.27km/s才能渗透ITER等离子体100cm。用两种典型的消融理论计算了渗透深度与靶丸速度和半径的依赖关系并作了比较。新近的研究从高场侧(HFS)注入靶丸来改善芯部加料效率可能给芯部加料困难贡献一种解决办法,对相关的问题作了讨论。     

从结构热传导角度分析CEFR内钠温度变化速率限值的合理性

CEFR提升功率时要求钠温度变化速率不超过30 ℃/h,为从理论上论证限值30 ℃/h的合理性,通过理论分析和ANSYS软件数值模拟两种方式,研究了介质温度变化条件下平板的非稳态热传导响应过程及平板温度进入稳定状态所需的时间。结果表明,换热条件直接影响结构温度达到稳定状态所需的时间,换热条件好时结构和介质温变基本同步,换热条件差时30 ℃/h的堆内介质温度变化速率能保证介质温度稳定时结构温度达到温变总幅度的60%以上。30 ℃/h钠介质温度变化速率基本使换热条件差的条件下结构温度场进入稳定状态的速率与堆内钠介质温度变化相对同步,降低了温度变化带来的热应力分布和变化的复杂性,基本保证了结构实际温度与稳态设计温度的一致性。     

静电振动法制备核靶

描述了静电振动制靶方法,该法的基本过程是细微粒子的在静电场中作振动并在电极上沉积或膜,用静电振动法已制成了２０多种自撑靶和有衬底靶,靶的质量厚度范围为１０～１３００μｇ／ｃｍ＾２,靶的均匀性用α测厚仪测量,一般好于９６％。     

熔盐冷冻壁传热平衡数值模拟及实验研究

在熔盐堆燃料干法处理流程中,处理设备面临着严重的材质腐蚀问题。熔盐冷冻壁技术被视为保护相关设备耐受化学腐蚀的有效方法。熔盐冷冻壁厚度及温度场分布对防护效果及相关干法工艺参数有重要影响,在中心冷却式冷冻壁实验装置上采用FLi Na K熔盐介质开展了冷冻壁维持的实验研究,采用中心冷棒空气冷却的方式得到了不同壁温下冷冻壁的厚度范围及反应釜内温度场分布。结合数值模拟计算了冷冻壁的传热平衡工况,并与实验值进行对比和分析,得到了较为适宜的冷冻壁厚度的调节工况。冷冻壁厚度控制工艺和釜内温度场分布可为冷冻壁工艺容器的设计提供参考。