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1 mm直径、30 m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185.56 m,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2.26 m。     

背光阴影成像表征降温速率对ICF冷冻冰层均化的影响

利用背光阴影成像技术研究了降温速率对惯性约束聚变(ICF)球形氘氘冷冻靶中燃料冰层均化的影响.实验中,首先对ICF冷冻靶温度场进行标定以确定靶丸处的温度,然后利用背光阴影成像系统对降温过程中靶丸内燃料冰层的空间变化进行实时原位测量,得到了不同降温条件下冷冻靶背光阴影成像图像中亮环的功率谱.实验结果表明:相比快速降温,台阶式缓慢降温有利于形成均匀的燃料冰层;同时验证了背光阴影成像技术表征ICF冷冻靶内冷冻冰层均化的有效性.     

ICF冷冻靶燃料冰层原位表征技术

背光阴影成像是表征ICF冷冻靶燃料冰层的有效方法。基于背光阴影成像技术,冷冻靶燃料冰层原位表征技术能原位实时监测靶丸内燃料气体相变与冰层均化过程,得到打靶零前时刻燃料冰层厚度和粗糙度信息,为物理实验提供准确参数。在冷冻靶制备实验中,根据背光阴影成像的光线追迹模型和实验测得的阴影图像中的亮环位置,计算得到了均化后冷冻靶中燃料冰层的厚度以及内表面粗糙度。     

不同控温过程下冷冻靶冰层结晶生长行为研究

为制备满足物理实验要求的冷冻靶氢同位素冰层,需控制冰结晶生长过程,实现燃料的单晶生长,由此减少影响冰层均匀性及晶体缺陷。采用数值模拟方法研究冷冻靶温度场,通过可见光背光阴影成像技术在线表征了低温下靶丸内氘(D_2)的结晶生长行为。结果表明:当降温速率为0.4 K/min时,在靶丸内可重复形成D_2籽晶;通过优化控温过程,可显著降低D_2晶体生长过程中形成的缺陷。     

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.     

辉光放电聚合物薄膜的红外性质研究

为了实现惯性约束聚变 (ICF)点火,需要制备出均匀的高密度燃料靶。对于氘氘 (DD) 冰层,红外均化技术可用于改善其内表面粗糙度。本文利用红外光谱仪和红外显微镜研究了辉光放电聚合物(GDP)薄膜和靶球的红外吸收性质,得到了GDP薄膜材料特定波长处的红外吸收系数。通过比较薄膜材料和靶球的红外吸收,证实了热处理可以降低GDP材料中的氧化位点,从而抑制羟基(—OH)峰的形成,优化DD冰层的红外均化效果。利用所得实验数据对DD均化实验中红外均化积分球所需要的红外功率和国家点火装置(national ignition facility, NIF)标准靶的红外透射率进行了估算,计算结果对DD冰红外均化实验具有重要指导作用。     

氘氚冰籽晶的形核行为

为了实现激光约束核聚变(ICF)的自持聚变目标,对靶壳内氘氚冰的质量提出了极其苛刻的要求,冰层内表面和靶壳的同心度要求大于99.9%,冰层内表面均方根粗糙度(RMS)优于1μm.高质量的冷冻氘氚靶建立在靶壳内高质量氘氚冰层的前提之上.单晶是冰层的最好形态,在靶壳内获得氘氚冰籽晶是基础条件.本文通过采用逐渐降低升温速率的台阶控温方法,开展了充气微管内保留籽晶的研究,揭示了充气微管内保留籽晶的形核机理,实验结果表明,利用充气管口可保留稳定、单一的籽晶,在相同的过冷度下,当氘氚籽晶c轴方向与充气管轴向平行时,生长速度较c轴垂直于充气管轴向时的速度慢约1—2个量级,为获得高质量的籽晶从而形成高质量的氘氚冰提供了参考和支撑.     

玻璃微球内氘结晶行为研究

为研制出满足惯性约束聚变(ICF)实验的氘氚(DT)冷冻靶, 需要控制DT结晶生长过程, 实现DT单晶生长, 由此减少影响冰层均匀化及聚变实验的晶体缺陷. 本文运用晶体生长形态动力学理论建立了密排六方晶体(hcp)单晶生长模型, 实验中通过对靶室进行± 3 mK精确控温, 采用可见光背光成像技术在线表征了低温下玻璃微球内氘(D₂)的结晶生长过程, 结果表明: 在20–100 Pa低温氦气导热环境下, 通过缓慢降温可显著降低氘晶体生长过程中形成的缺陷; 当降温速率达到2 mK/min时, 观测到了氘燃料的两种单晶生长过程, 实验具有可重复性; 建立的hcp单晶生长理论模型与实验结果符合, 并与美国利弗莫尔国家实验室(LLNL)的DT单晶生长过程进行了对比, 提出了冷冻靶内D₂/DT燃料的单晶生长方法.     

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.     

GDP/D-GDP化学结构与力学性能的研究

利用低压等离子体增强化学气相沉积技术制备碳氢辉光放电聚合物(GDP)和全氘代辉光放电聚合物(D-GDP)薄膜。利用表面轮廓仪、傅里叶红外光谱仪和纳米压痕技术对制备的样品进行表征,讨论了GDP/D-GDP薄膜的沉积速率、化学结构和力学性能在ICF物理实验用靶应用中的优缺点。结果表明:GDP/D-GDP薄膜的沉积速率都随反应气体流量比例近线性增加,GDP的沉积速率达到2.6μm,D-GDP的沉积速率达到1μm,GDP的沉积速率远大于D-GDP的沉积速率;D-GDP薄膜内部的交联化程度较弱,D-GDP更有利于靶丸内燃料的红外均化;GDP的力学性能明显优于D-GDP,更有利于ICF物理实验用靶的燃料填充与装配操作。     

冷冻靶中硅冷却臂的温度场和力学分析

冷冻靶是实现惯性约束聚变高能量增益的重要靶型。冷却臂是冷冻靶的重要部件之一,通过它将冷源与铝套筒相连接,用于获得靶丸内均匀氘氚冰层时所需的精确温度,同时冷却臂也用于均匀夹持铝套筒。首先测试分析了硅材料在深低温下的热传导系数,表明硅材料在该温区具有优异的热传导能力。研究了硅冷却臂结构参数对冷却臂温度场分布的影响。分析不同晶向硅冷却臂周向均匀夹持铝套筒的特性,提出基于(111)晶向硅片研制冷却臂。研究了冷却臂力臂夹持力和共振频率,并对硅冷却臂的热-结构耦合进行分析。最后设计具有16个夹持力臂的二级分叉结构的冷却臂。基于微电子机械系统技术研制了硅冷却臂样机,并测试了冷却臂的侧壁垂直度和力学特性。将研制的硅冷却臂与铝套筒进行装配,表明冷却臂中力臂的力学特性能够实现对套筒的夹持。     

冷冻靶中硅冷却臂的温度场和力学分析

冷冻靶是实现惯性约束聚变高能量增益的重要靶型。冷却臂是冷冻靶的重要部件之一,通过它将冷源与铝套筒相连接,用于获得靶丸内均匀氘氚冰层时所需的精确温度,同时冷却臂也用于均匀夹持铝套筒。首先测试分析了硅材料在深低温下的热传导系数,表明硅材料在该温区具有优异的热传导能力。研究了硅冷却臂结构参数对冷却臂温度场分布的影响。分析不同晶向硅冷却臂周向均匀夹持铝套筒的特性,提出基于(111)晶向硅片研制冷却臂。研究了冷却臂力臂夹持力和共振频率,并对硅冷却臂的热-结构耦合进行分析。最后设计具有16个夹持力臂的二级分叉结构的冷却臂。基于微电子机械系统技术研制了硅冷却臂样机,并测试了冷却臂的侧壁垂直度和力学特性。将研制的硅冷却臂与铝套筒进行装配,表明冷却臂中力臂的力学特性能够实现对套筒的夹持。     

低温冷冻靶温度动态特性的数值模拟研究

惯性约束聚变点火成功的关键之一在于靶丸内形成均匀的氘氚冰层,靶丸周围的温度场对冰层质量有很大影响.首先通过实验靶系统实验验证了数值计算模型的可靠性,在此模型的基础上,对低温冷冻靶装置的热物理问题特别是温度动态特性问题展开了数值模拟,重点考察冷环温度波动时,温度传递衰减过程的规律以及各影响因素对于温度传递衰减过程的影响.结果显示:冷环温度一定时,填充气体压力降低、填充气体中氦气比例增大,靶丸表面温度均匀性提高;当冷环温度波动时,温度波动的周期减小、振幅减小、填充气体压力升高、填充气体中氦气比例降低有利于控制靶丸表面温度波动;冷环温度波动的周期适中、振幅减小、填充气体压力降低、填充气体中氦气比例提高有利于改善靶丸表面温度均匀性.研究结果对实验中冷冻靶合理配置各参数实现温度控制具有重要参考价值.     

Heat and mass transfer characteristics during rapid solidification of Fe-Cu peritectic alloys

The viscose flow and microstructure formation of Fe-Cu peritectic alloy melts are investigated by analyzing the velocity and temperature fields during rapid solidification, which is verified by rapid quenching experiments. It is found that a large temperature gradient exists along the vertical direction of melt puddle, whereas there is no obvious temperature variation in the tangent direction of roller surface. After being sprayed from a nozzle, the alloy melt changes the magnitude and direction of its flow and velocity rapidly at a height of about 180 μm. The horizontal flow velocity increases rapidly, but the vertical flow velocity decreases sharply. A thermal boundary layer with 160–300 μm in height and a momentum boundary layer with 160–240 μm in thickness are formed at the bottom of melt puddle, and the Reynolds number Re is in the range of 870 to 1070 in the boundary layer. With the increase of Re number, the cooling rate increases linearly and the thickness of thermal boundary layer increases monotonically. The thickness of momentum boundary layer decreases slowly at first, then rises slightly and decreases sharply. If Re < 1024, the liquid flow has remarkable effects on the microstructure formation due to dominant momentum transfer. The separated liquid phase is likely to form a fiber-like microstructure. If Re>1024, the heat transfer becomes dominating and the liquid phase flow is suppressed, which results in the formation of fine and uniform equiaxed microstructures. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50121101 and 50395105)     

黑腔冷冻靶传热与自然对流的数值模拟研究

惯性约束聚变的设计要求在靶丸内形成均匀光滑的氘氚冰层, 靶丸周围的热环境对冰层的质量特别是低阶粗糙度有很大的影响. 本文对自主研发的黑腔冷冻靶实验装置中的热物理问题展开了数值模拟, 重点考察了黑腔冷冻靶的传热和流体力学特性. 通过参数分析得到了自然对流对靶丸温度均匀性产生影响的临界条件. 比较了黑腔不同布置朝向时的流场和温度分布, 结果显示黑腔水平布置时自然对流更加强烈, 造成的靶丸温度不均匀性也更大. 在此基础上, 讨论了消除自然对流影响的可能性, 结果发现仅当黑腔垂直布置时利用黑腔分区方法能够消除对流效应对靶丸温度不均匀性的影响而黑腔水平布置时不能消除. 研究结论对于实验中冷冻靶结构的设计、改进和实验的开展等具有指导意义.     

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。     

Depth profiling of D implanted into Ti at different temperatures

Depth proliles of 6.6 keV D⁺ implanted into titanium in the temperature range between 140 K and 500 K have been studied using the D(³He, α) H nuclear reaction.

At 140 K the trapped amount is close to 100% at low doses and reaches saturation at about 2 × 10¹⁸D/cm², whereas at room temperature no saturation could be reached up to 2 × 10¹⁹ D/cm². At higher temperatures the amount decreases until no deuterium could be detected in the surface layer above 500 K.

The depth profiles are strongly dependent on temperature. At 140 K the deuterium is found in a surface layer of about 2000 Å with a maximum ratio of deuterium to metal atoms of 2.5. At room temperature a hydride layer of TiD^1.8, forms. The thickness of the hydride layer depends on deuterium dose and extends to 1.5 μm at 2 × 10¹⁹ D/cm². At higher temperatures the atom concentrations are lower and the deuterium seems to diffuse deeply into the bulk.

These results are discussed in terms of diffusion of deuterium i n Ti and titanium hydride.