ICF空心微球靶传热的有限元分析

 为分析冷冻靶丸外部温度场，应用ANSYS软件对ICF空心微球靶的热传递进行了有限元分析。建立了单元传热的几何物理模型，靶丸微球呈空间均匀分布，计算区域由三个同心球壳组成，分别为液体层、靶丸壳层以及氦气层，氦气层厚度为球壳层厚度的7倍。模型左右两边界设为绝热边界条件，采用智能自动划分网格,设定参数为3，单元类型为三角形。模拟表明，在靶丸工作温度为24 K的情况下，为保持靶丸气泡受力平衡，自洽得到靶丸内部温度梯度为14.02 K/cm，以此求解出所施加的外部温度场为7.758 K/cm。将计算值与现有的实验结果进行了比较，模拟结果与国外实验值(8.2 K/cm)吻合得较好。     

氢同位素组合靶丸消融率的同位素修正

国际热核聚变堆(ITER)的芯部加料问题是非常困难的。必须找到某些新的改善芯部加料的机制和新的靶丸注入方式。我们研究了5种氢同位素组合的固态靶丸H2，HD，D2，DT，T2在聚变等离子体中消融过程的同位素修正机制。Parks等人研究了高场侧注入的靶丸消融物质在托卡马克中由于VE产生的径向位移。我们用他们的模型对ITER设计参数作了数值计算。结果表明ITER芯部加料的困难问题有了转机。我们将在另一篇文章中讨论。本文主要介绍5种氢同位素组合固态靶丸消融率的同位素修正对芯部加料效率的影响。     

定向红外条件下光纤布置形式及光源参数对低温靶温度场的影响

惯性约束核聚变成功的关键之一在于靶丸内要形成均匀的燃料冰层,靶丸外表面温度特性对惯性约束聚变低温靶内形成均匀的燃料冰层有着决定性的影响.为使得靶丸外表面温度场尽可能均匀,需采用定向红外的方式对靶丸外表面温度进行局部调控.采用全三维低温靶物理模型,建立定向红外光路追踪与温度场计算耦合计算的光热耦合数值模型,研究了定向红外条件下光纤布置形式及光源参数对低温靶温度场的影响规律.结果表明:在光纤总功率不变的前提下,光纤数量越多,靶丸外表面温度场均匀性越好.光纤数量小于等于2时,靶丸外表面温度场无法得到明显改善;光纤数量大于2时,靶丸外表面最大温差和加权温差降低幅值极限为61.94%和76.33%.光纤投射的光斑向南北两极适量偏移可以改善靶丸外表面温度场均匀性,其他的偏移方式会恶化温度场均匀性.     

定向红外光空间分布误差对冷冻靶温度场的影响分析

在惯性约束核聚变中,决定点火成功与否的关键因素在于靶丸内燃料冰层的均匀性,而影响靶丸内燃料冰层均匀性的主要因素为靶丸温度场均匀性.为了提升靶丸温度场均匀性,采用定向红外辅助均化装置实现对靶丸表面温度场的局部调控.在定向红外装置的运行过程中,红外光空间分布误差会影响到靶丸温度场的调控效果.建立了定向红外光线追踪与温度场计算耦合的数值模型,并与实验进行对照分析,确定了数值模型良好的计算精度.采用三维的冷冻靶物理模型,研究了不同形式的定向红外光空间分布误差对靶丸温度场的影响规律.结果表明:光轴偏心对靶丸温度场均匀性的影响最为剧烈,光带间距变化的影响次之,光带宽度的变化对靶丸温度场均匀性的影响最小.在实验中应当尽可能避免南北两侧光带光轴的偏心,从而保证靶丸表面温度均匀性,进而可以保证靶丸内燃料冰层的均匀性.     

二元混合燃料在靶丸内壁形成均匀液体层的数学模型

 提出了一个数学模型，描述了二元混合燃料H-D和D-T在ICF低温靶丸内壁形成均匀液体层时，远端场的温度梯度和工作温度间的关系。在靶竖直方向施加一个温度梯度后，模型显示将在气液界面产生一个垂直向上的张力梯度，它将液体从靶丸底部拉到上部，适当的张力梯度抵消了重力对液层的作用，在靶丸的内壁形成了均匀的液体层。通过运用ANSYS软件对靶丸的导热情况进行了有限元分析，模型计算结果与Kim的实验数据吻合得较好，温度梯度的变化趋势也是相似的。     

ICF靶丸中液氢层厚度的确定

 利用靶丸内部的质量守恒，提出了计算惯性约束聚变靶丸内液氢层厚度的函数关系式，从而得到了求解惯性约束聚变靶丸内液氢层厚度的一般模型，并在此基础上对影响液氢层厚度的各类因素如温度、充气密度等进行了讨论。该模型的分析方法同样适用于惯性约束聚变中的燃料气体氘、氚或者氘氚混合物。     

神光Ⅱ装置靶丸内爆过程X射线背光照相实验研究

在神光Ⅱ装置上,8路激光注入金柱腔靶产生X射线驱动位于柱腔中心的DD靶丸内爆,第9路激光辐照Pd背光靶产生的L线X射线透视内爆靶丸,用针孔成像方式获得靶丸的透视图像,高速X射线条纹相机记录靶丸透视图像,建立了间接驱动内爆靶丸背光照相的实验方法,清晰地观测到了靶丸内爆的过程,对透视图像分析获得了内爆靶丸壳层运动轨迹和速度的实验数据,所获实验结果可用于间接驱动靶丸优化设计,还可用于内爆动力学数值模拟建模和计算结果的验证。     

神光Ⅱ装置靶丸内爆过程X射线背光照相实验研究北大核心CSCD

在神光Ⅱ装置上,8路激光注入金柱腔靶产生X射线驱动位于柱腔中心的DD靶丸内爆,第9路激光辐照Pd背光靶产生的L线X射线透视内爆靶丸,用针孔成像方式获得靶丸的透视图像,高速X射线条纹相机记录靶丸透视图像,建立了间接驱动内爆靶丸背光照相的实验方法,清晰地观测到了靶丸内爆的过程,对透视图像分析获得了内爆靶丸壳层运动轨迹和速度的实验数据,所获实验结果可用于间接驱动靶丸优化设计,还可用于内爆动力学数值模拟建模和计算结果的验证。     

改善芯部加料效率的新机制研究

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作了同位素修正。结果表明,由于这种新机制———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。因而在消融率计算时是不可忽略的,这些修正可导致更深的靶丸消融物质沉积因而改善芯部加料效率。更重要的是,考虑到同位素效应后,对ITER的加料困难有适度的减轻。进一步的数值计算工作表明,以低场侧注入半径rp0=0.5cm的DT靶丸,同样渗入ITER等离子体100cm,按Kuteev的2D透镜模型,同位素修正使要求靶丸的初速度从vp0=24.27×105cm·s-1减小到16.2×105cm·s-1,而对Parks模型,从vp0=8.07×105cm·s-1减小到5.4×105cm·s-1。如果从中平面高场侧注入尺寸rp0=0.5cm的DT靶丸,当合并考虑同位素修正和由于消融云内外比压差产生的净垂直极化电流引起的沿大半径方向漂移后,vp0可降低到工程技术上比较容易实现的低速1.73×104cm·s-1从而可能使靶丸的消融物质沉积到ITER等离子体中心。     

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用AFM轮廓仪测量了ICF靶丸3个相互正交方向上的表面高度数据。分析了测量数据的误差来源,给出了消除表面异常扰动和偏心距两类误差的方法和原始数据预处理步骤,采用最小二乘法评定了靶丸球度。给出了靶丸表面形貌一维功率谱估计计算方法和表面粗糙度的计算方法。     

基于改进YOLO-V5深度学习模型的靶丸快速筛选方法

针对激光惯性约束核聚变实验中海量靶丸筛选效率低的问题，提出一种基于改进YOLO-v5深度学习模型的靶丸快速筛选方法。方法通过控制靶丸在不同的景深处成像，并将图像拼接在一起以获得其清晰图像；同时引入通道注意力机制来增强模型的特征提取能力，建立了SE-YOLOV5s深度学习靶丸表面缺陷识别模型，并对靶丸缺陷按照缺陷种类进行了分类和评估从而实现对海量靶丸的筛选。靶丸表面缺陷检测的准确率为94.4%,每秒可检测到约50张靶丸图像(分辨率3072×4096),为激光惯性约束核聚变试验提供一种快速、准确筛选海量靶丸的方法。     

微腔内气体抽离的多尺度模拟与分析

基于适用于整个克努森数范围的流动理论,建立了去除惯性约束聚变实验中靶丸内空气的理论模型,并设计实验验证了此模型的可靠性。物理实验要求靶丸内空气浓度低于10×10?6,数值模拟了去除靶丸内空气的过程,重点分析了靶丸内空气浓度、压力与除气时间的关系。计算并比较了单管路一次抽气法、单管路循环抽气法与双管路流洗法三种去除靶丸内空气方法的时间成本。数值计算结果表明:单管路一次抽气法中,靶丸上的微通道的存在对去除靶丸内空气所需时间的影响不可忽略,在考虑靶丸上微通道与充气管的情况下,需要1961.77 h才能使靶丸内的空气浓度达到标准。单管路循环抽气法中,抽气次数与单次抽气程度会影响去除靶丸内空气所需总时间,在单次抽气程度值取最优的情况下,采用充三次,抽四次的方案可使达标总时间减少至1 h左右,此方案下单次充气和抽气时间分别为6 min和10 min。而采用双管路流洗法则仅需11 min便可使靶丸内空气浓度达标。     

激光聚变靶丸快速筛选方法与技术研究

为了从海量激光聚变靶丸中高效检测出符合激光核聚变试验要求的靶丸,提出一种针对靶丸流水式测量的快速筛选技术。所提技术利用机械臂控制显微镜逐一对待测靶丸放大并通过CCD成像,利用空间矩亚像素细分算法计算出靶丸的亚像素级轮廓信息,进行圆度评定,并根据圆度大小对靶丸进行筛选。通过机械臂和靶丸放置盘之间的三维运动配合,可遍历测量所有待测靶丸。经过理论及实验证明该方法空间分辨力优于0.51μm,可快速、精确地对海量靶丸进行初步筛选。     

X射线法测量的ICF靶丸参数的图像分析

 在ICF靶丸参数测量中，采用接触X射线显微辐射照相法获得靶核的X射线吸收底片图像，将该底片放置于显微镜下并用CCD获得了数字化图像。基于该数字化图像信息，编写了一套完整的计算机算法来计算靶参数。采用辐向平均法标定出靶中心，采用图像强度函数对半径的二阶微分来确定出靶层分界位置，计算精度约为0.2pixels。     

杂质靶丸注入在ITER诊断中应用的可行性

国际热核实验堆ITER-FEAT设计已完成。在ITER中,α粒子诊断是运行控制方面的一个关键性问题。从Kuteev的氢类靶丸消融理论出发,导出了杂质靶丸的半径烧蚀速率和粒子消融速率。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。     

引入守恒格式的自相似解进行ICF辐射驱动时变对称性分析

引入守恒格式的自相似解计算黑腔X射线能流时空分布,通过视角因子方法计算靶丸表面入射能流分布,从而进行惯性约束聚变辐射驱动时变对称性分析。分析了光斑运动、激光脉冲波形及靶丸装配偏差对靶丸辐照均匀性的影响。以二阶分量时间积分值为优化目标,最佳腔长计算值与内爆对称性调节实验结果相符,内爆腔靶组合参数扫描得到的最佳长径比与NIF目前实验值相当,模型有效性得到验证。     

惯性约束聚变靶丸内杂质气体抽空流洗过程的数值模拟

低温冷冻靶是实现惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)的关键部件之一.低温靶靶丸内杂质气体的去除程度和效率对低温靶燃料冰层的在线制备具有重要意义.依据低温靶物理对冰层杂质含量的设计要求,在计算靶丸内杂质气体最大允许分压的基础上,建立了靶丸内气体在微米级充气管内流动的抽空流洗模型.模拟研究了不同微管尺度及结构、温度对靶丸内杂质气体抽空流洗效率的影响规律,获得了靶丸充气微管的最佳管型设计方案.基于最佳管型设计,优化得到了具有最高抽空流洗效率的抽空时间与流洗次数组合策略.     

氢同位素球形靶丸在其相应高能离子轰击下的消融

本文采用跨音速中性气体屏蔽模型,得到了氢同位素球形靶丸在其相应高能离子轰击下的消融率G_(is)及其定标律,s可为氢或氘。计算表明,当离子与电子的未扰态能量E_(0s)/E_(0e)~2≥1.5时,G_(is)/G_(es)≥20％,G_(es)为靶丸在等离子体电子轰击下的消融率。因此,当聚变实验有中性粒子束注入加热时,需考虑高能离子轰击对靶丸消融的影响。这也为此情况下靶丸消融强化提供了一种解释。     

激光间接驱动内爆靶丸的X光诊断

 报道了神光Ⅱ激光聚变实验中内爆燃料靶丸区电子温度、电子密度以及燃料面密度的X光诊断结果。在电子温度诊断中，采用X射线光谱学方法，根据聚变靶丸燃料区的Ar示踪元素的Ly-β线与He-β线的强度比推断出靶丸燃料区电子温度为(950±100) eV；在电子密度诊断中，利用靶丸燃料区Ar元素的He-β线Stark展宽确定聚变靶丸芯部的电子密度为(0.9±0.2)×10²⁴ cm^-3；在燃料区面密度诊断中，利用X光单能照相技术获得了内爆靶丸的燃料面密度为（3.2±0.5） mg/cm²。     

激光入射孔径对柱形腔靶辐照不均匀度的影响

 研究了激光入射孔径对柱形腔靶中 l=2阶靶丸辐照不均匀度的影响，计算得到了激光入射孔径对辐照不均匀度随时间变化的影响可以用源于某一固定点的一族曲线来描述。此固定点是由与激光光斑的位置决定的，与腔靶的半径和入射激光束的入射角有关，而与激光入射孔径的大小无关。辐照不均匀度随时间的变化是由激光光斑的辐射温度的变化和腔壁辐射温度的变化决定的，激光入射孔半径的大小影响着辐照不均匀度随时间变化的曲线的梯度，入射孔越大，曲线的梯度就越大。激光入射孔对l=2阶靶丸辐照不均匀度的影响与入射孔半径近似呈线性关系。