干凝胶粒子物性对空心玻璃微球炉内成球过程的影响

为实现干凝胶法制备惯性约束聚变靶用空心玻璃微球(HGM)炉内成球工艺过程的有效控制,从数值模拟和工艺实验两个方面研究了干凝胶粒子直径、比热容、发泡剂质量分数和辐射吸收系数对干凝胶粒子炉内成球过程及最终HGM性能参数的影响。结果表明,随着干凝胶粒子直径和/或比热容的增大,干凝胶粒子在吸热封装阶段的升温速率显著降低,在炉内成球过程各工艺阶段的停留时间快速下降,尤其是在精炼阶段的停留时间急剧缩短。降低干凝胶粒子的比热容和/或提高干凝胶粒子的发泡剂质量分数,HGM的直径和壁厚均匀性增大,高质量空心球的比例也相应提高。干凝胶粒子的辐射吸收系数变化对炉内成球过程几乎没有影响。     

基于温度梯度的ICF冷冻靶均化技术研究

惯性约束聚变(ICF)冷冻靶中氘氘(D2)、氘氚(DT)等燃料冰层在靶丸中的分布由靶丸所处的温度场决定。在氘氘冷冻靶中,垂直温度梯度引起的气-液界面张力梯度可以抵消重力作用,使氘氘液体在靶丸内均匀分布;然后在氘氘的三相点附近缓慢降温,可以实现燃料冰层的均化。在氘氘冷冻靶均化实验系统上,采用温度梯度结合制冷速率与制冷过程控制的方法,实现了1mm直径、30μm壁厚的辉光放电聚合物(GDP)靶丸中氘氘冰层的均化,对背光阴影图像中亮环位置进行分析表明:氘氘冰层的平均厚度为185.56μm,均匀度为80.2%,模数-功率谱曲线中模数2~100对应的内表面粗糙度为2.26μm。     

用于ICF靶的空心玻璃微球的干凝胶法制备

 为用干凝胶法制备用于ICF靶的空心玻璃微球（HGM），研究了载气组份、温度和压力对成球过程和HGM品质的影响，优化了制备工艺参数。结果表明：提高载气中氦气的含量，有利于增加干凝胶粒子的成球率和HGM的纵横比；适当提高载气中氩气的含量，有利于提高HGM的表面质量。降低载气压力可以提高HGM的纵横比；升高载气温度可以提高干凝胶粒子成球率和HGM品质。当载气中氦气的体积分数在50%~80%，载气压力在(0.75~1.00)×10⁵ Pa，载气温度在1 500~1 650 ℃时，干凝胶粒子的成球率较高，HGM的球形度、同心度和表面光洁度较好。制备得到了直径100~500 μm、壁厚0.5~3.0 μm的HGM，其耐压强度、抗大气侵蚀性能和表面粗糙度等指标均满足ICF物理实验要求。     

玻璃微球壁厚和预充气工艺对气体渗透性能的影响

 以空心玻璃微球为研究对象，利用高压充气系统充气，测量了不同条件下玻璃微球对氘气在室温条件下的气体渗透系数。研究结果表明：微球的壁厚对气体渗透系数影响较大，2 mm以上厚壁球的气体渗透系数约5.0×10^-22 mol·m^-1·s^-1·Pa^-1，而壁厚小于1 mm时，渗透系数约1.56×10^-20 mol·m^-1·s^-1·Pa^-1，两者相差30倍。预充气挑选工艺对微球的气体渗透系数也产生一定影响，对于薄壁空心玻璃微球一次充放气气体渗透系数增加约50％，两次充放气则增大一倍左右。对上述影响因素进行了初步的探讨，气体渗透系数改变的主要原因是玻璃微球表面的结构裂纹、空位和缺陷。     

惯性约束聚变靶用空心玻璃微球的渗透性能

为实现对干凝胶法空心玻璃微球(HGM)渗透性能的有效调控,研究了初始玻璃配方、载气成分、精炼温度、精炼区长度、HGM壁厚对HGM渗透性能的影响。结果表明:当精炼温度低于1400 ℃时,初始玻璃配方对HGM渗透性能有显著影响。但是,随着精炼温度的升高和精炼区长度的延长,液态玻璃中碱金属氧化物的挥发比例逐渐增大,由不同初始玻璃配方制备的HGM对氘气的渗透性能逐渐趋近于相同。随着载气中氦气体积分数的降低或HGM壁厚的增大,室温下HGM对氘气的渗透系数逐渐减小。     

厚壁空心微球的球形度和壁厚均匀性的表征研究

为建立高效简洁的厚壁空心微球球形度和壁厚均匀性的表征和测量方法,以内径850μm、壁厚25μm的厚壁聚苯乙烯(PS)微球为测量对象,分析球形度和壁厚均匀性的表征方法,探讨测量过程中采样方式对表征微球球形度和壁厚均匀性的影响。研究表明:对于批量微球球形度和壁厚均匀性的表征,当抽样数目不小于30时,测量结果之间的差异很小;而对于单一微球的球形度和壁厚均匀性的表征,至少3个不同投影面的测量结果的平均值才趋于稳定。不同投影面导致球形度或壁厚均匀性较差的批次样品的测量结果有一定差异,多次投影测量可提高测量结果的可靠性。     

无源柱腔充气靶制备技术

 分析了柱腔充气靶动态充气、准动态充气和静态充气3种充气方式的特点,完成了无源充气靶的设计和制备,测量了无源充气靶的保气半寿命,讨论了靶的储存和运输。研究表明:充Kr的玻璃柱腔充气靶保气半寿命不低于341 h,以打靶时间为3 h计算,靶内气体泄漏率不超过2%;采用高压保气罐对成品进行储存和运输,无源柱腔充气靶可实现异地打靶。     

电子束辐照对玻璃微球储氚性能的影响

 以研究氚衰变β电子对玻璃微球保气性能为目标,利用XPS在线测量技术研究了电子束照射下碱式硼硅酸盐玻璃中K+离子的迁移以及由此引发的空心玻璃微球保气性能的下降。研究表明：在阈值剂量以上,随着玻璃组分中K+含量的增加,由于K+离子迁移导致的阻气特性的下降效应越明显;对于一定组成的玻璃微球,电子照射剂量越大,通道网络的形成越容易,玻璃微球的保气性能下降越迅速。     

载气环境对液态空心玻璃微球运动状态的影响

 研究了载气组份、温度、压力以及微球直径和壁厚对液态空心玻璃微球在炉内运动状态的影响。结果表明：在用干凝胶法制备空心玻璃微球工艺的常用载气组份、温度和压力范围内,载气的组份、温度和压力对相同直径和壁厚的液态玻璃微球在炉内运动速度的影响小于8.3%,但载气组份和压力对液态玻璃微球运动雷诺数和韦伯数的影响很显著。玻璃微球的直径和壁厚是液态玻璃微球运动速度、雷诺数和韦伯数的重要影响因素。提高载气中的氦气含量或降低载气压力可以降低载气对液态玻璃微球的非球形化作用,提高载气温度可以降低其球形化的阻力。     

空心玻璃微球与载气之间传热过程的影响因素

 为实现玻璃微球与载气之间传热过程的定量控制,建立了玻璃微球与载气之间的热传递模型,研究了载气组份、温度、压力以及微球直径和壁厚对玻璃微球与载气之间传热过程的影响。结果表明：在干凝胶法制备空心玻璃微球工艺中常用载气组份、温度和压力范围内,载气温度和压力对玻璃微球与载气之间传热阻力的影响都可以忽略,但载气中的氦气含量对微球与载气之间传热阻力的影响很显著。随着微球壁厚的增大,玻璃微球与载气之间传热阻力显著增加。因此,改变载气中的氦气含量可以作为控制微球与载气之间传热过程的有效方法,并且随着微球壁厚的增大,提高载气中的氦气含量对增强载气与微球之间传热性能的作用逐渐增强。