!第S N卷第P期原子能科学技术Y$35S N!O$5P !J K J J年P月;-$,()>%+!&7H)(+%)+"%#<+)0%$3$&7;/&5J K J J
冷冻靶的环境热辐射屏蔽技术研究
陶朝友 刘喜川 林!伟 杨!洪 代!飞 王!凯%
#中国工程物理研究院激光聚变研究中心!四川绵阳!N J I L K K$
摘要 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#E>\$膜透光率对柱腔内靶丸和冰层温度场分布的影响!利用 A TR H T E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&E>\膜透光率越大!靶丸外表面温差和冰层内表面温差越大'当E>\膜透光率小于I[时!冰层内表面最大温差低于K W I,]!可满足冰层均化和保持的要求'实验中!通过在
E>\膜上镀不同厚度的铝层调控其透光率!并选择E>\膜镀铝层厚度为M S%，的冷冻靶开展了氘氘冷
冻均化实验'结果表明%当E>\膜上的镀铝层厚度为M S%，时!冰层的保持能力得到大幅提升'从^射线相衬图像可知!冰层的厚度均匀性约为P K W J[!粗糙度约为I W N S&,!平均厚度约为S K W S&,'
关键词 柱腔冷冻靶&激光入射孔&环境辐射&透光率
中图分类号 T Q I I5M&T M S I5J文献标志码 ；文章编号 I K K K:N L M I#J K J J$K P:I V K V:K V
'%0 I K5V S M P-78*5J K J I57$/C("%5K S Q Q
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收稿日期 J K J I:K V:K S&修回日期 J K J I:K P:M I
基金项目 国家自然科学基金#I I P K Q M I P$
%通信作者 王!凯
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!!美国O@?设计的间接驱动冷冻靶在黑腔中心悬挂有I个靶丸!靶丸内含有低温冷冻的燃料)I:M*'高强激光束穿过激光入射孔#E>\$打到黑腔内壁!将激光转换为^射线来辐照靶丸!靶丸内爆并压缩(加热氘氘#==$-氘氚#=<$燃料冰层到一定条件以实现热核聚变)Q:N*'要获得足够多的聚变能量!需要初始燃料冰层足够均匀(光滑!以尽量缓解扰乱冰层压缩的瑞利：泰勒不稳定性)V:I K*'根据历史研究经验!燃料冰层对热辐射环境极为敏感)I I*'因此!在极低温下获得内表面光滑(厚度均匀的燃料冰层充满巨大挑战'大部分
环境热辐射处于红外波段!且黑体辐射峰值在I K&，左右)I I*'减弱外界环境辐射对冷冻靶靶丸温度均匀性的影响是提升燃料冰层品质的一种重要方法'美国O@?点火靶在E>\处采用封口膜U暴风窗双层膜设计方案!其中E>\膜镀铝层厚度约J S%,!主要用以减弱注入到黑腔内部的环境热辐射&暴风窗采用镀碳薄膜!主要用于缓解E>\窗口的结霜问题)I J*'物理实验(冰层表
征(=<；冰层制备工艺特点等要求限制了其封口膜铝层厚度的进一步增加'然而!对于我国以==为燃料的间接驱动柱腔冷冻靶!E>\结霜问题已通过其他方式解决!E>\膜环境辐射屏蔽性能成为冷冻靶的关键设计参数之一'本文主要分析影响==冰层的因素!并通过数值模拟方法研究具有不同透光率的镀铝聚酰亚胺#G@$膜时!靶丸外表面和冰层内表面的温度场分布'同时!研究在E>\膜上镀不同厚度铝层时!实验过程中靶丸内冰层的时空演变规律!以期为优化冷冻靶的外界环境辐射屏蔽!从而制备出高质量的冰层奠定基础'
)!实验
)+)!实验过程
本文所用冷冻靶和屏蔽罩的结构如图I所示!冷冻靶被低温屏和常温屏所包裹'黑腔由连接在导冷杆上的导冷硅臂冷却'外部腔体为铝套筒!铝套筒包裹黑腔!黑腔内充有I*G"左右的氦气'腔的两端为E>\!其上有厚度约为
P
K
V
I原子能科学技术!!第S N卷
K W S &，的G @薄膜!膜上镀不同厚度的铝层'靶丸为碳氢聚合物!内含==燃料冰层'靶丸通过石英充气管支撑在黑腔中心位置'实验过程中!由F (..$!#:R )R "0$%#F :R $制冷机提供的低温源将靶丸中的氘气冷冻成液态或固态==!
同时采用水平方向的^射线相衬成像系统表征装置记录靶球内==的变化过程'当黑腔的温度降至J K]时!靶丸内的氘气#J N W S*G "$逐渐开始液化!I P W V ]左右完全液化!靶球内液面不再发生变化!由于重力及液态==表面张力的作用!靶球中液态==的分布呈底部多(
顶部少的状态!形成弯月形亮线)I M *'通过控制
电阻加热器和温度传感器来控制传热腔上下的温度梯度'本文计算模型中!上述所有靶零件材
料的物性参数#表I $均在I P]附近取值
2008北京申奥宣传片
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图I !冷冻靶及其防辐射屏蔽罩结构示意图(&5I !H )0+,"-()#("&!",$.)!7$&+%()-"!&
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$2+!表)!主要材料的热物特性 )L!
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6C 903C 94"&098 )L! )-
零件名称材料
热导率-#g .,`I .]`I $
表面热发射率
靶丸辉光放电聚合物#F =G $
K W K S N I 黑腔金
II P P W Q K W K J E >\薄膜
镀铝G @薄膜膜#;3M S%,$
K W K Q K W K K S
导冷臂单晶硅
IM V V W I Q
K W N
传热气体
氦气#压力I*G "!密度K W K J NV*&
-,M !黏度
M W M &G "
.'$K W K J Q
气体视为透明!忽略不计
)+*!计算模型和数值方法
根据柱腔冷冻靶结构和运行工况!基于
A TR H T E 软件建立了用于求解靶丸温度场的
数控切割机系统
三维数值模型'在网格划分方面!考虑到靶丸
外表面为热梯度变化的主要区域!
靶丸与填充气体的交界区域采用多层结构化网格过渡!以建立流体边界层'靶丸温度场是此模型的关键计算区域'在参数化计算前!首选采用与冷冻靶常规实验相符的基准计算工况进行数值模型验证%外界环境辐射温度为I J K ]!E >\膜透
射率为K W Q !上下硅臂末端温度均为I P W S]!零件接触界面两侧温度自动耦合!不考虑接触热阻'通过对比不同网格密度的基准数值模型计算结果!获得满足网格无关性的模型离散设置参数%靶丸壳层及冰层网格尺寸约为I K &,!氦气中心部分网格尺寸约为S K &,!黑腔及套筒区域网格尺寸约为P K &,!氦气边界层网格由靶丸(黑腔部分按I W J 倍尺寸增长比自适应过渡'
模拟中连续方程(动量方程和能量方程)I S *为%
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安徽中医学院学报
$式中%)为密度!
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&1为时间!'&B (T 为速度矢量(在9(：方向的分量&F -为比热容!d -#*&.]$&"为黏度!
G ".'&.为参考温度!]&U 为传热系数!g -#,J
.]$&R -为流体的内热源及
由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分!g '
由于黑腔内的氦气和靶丸中心的氘气温度变化较小!密度变化也小!在动量方程中使用了D $/''(%+'B 假设'对于理想气体!
热膨胀系数$a`I
-.!式#I $%#M $适用于气体区域!式#Q $在整个冷冻靶黑腔中使用'由于腔体两端的封口膜为半透明介质!模拟中采用离散坐标#=T $辐射模型'=T 模型将2方向上的辐射传递方
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网球旋风K V I 第P 期!!陶朝友等%
冷冻靶的环境热辐射屏蔽技术研究
程#6<>$
视为场方程)I N *%)
.#@#'!*$*$'##'!'$
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=#S $式中%'为辐射方位角方向向量&*为沿程长度向
量&#为吸收系数&*为折射率&!'为散射系数&!为黑腔辐射常数&@为辐射强度&.为辐射立体角'
*!结果与讨论
*+)!环境热辐射影响因素
辐照对表面的影响可用H -+."%定律#S a
!
.Q !S 为环境热辐射$来描述'常温屏表面的温度一般保持在M K K]!由此可算出S a Q J W Q,g
-),J
'大部分辐射处于红外区域!黑体辐射的峰值在I K &，附近'由于靶组件通常都处于深冷状态地质学刊
#约J K]$!因此可忽略辐射的再发射'靶丸吸收的红外辐射有M 部分#图J $%环境辐射透过E >\膜后直接辐照至靶丸表面(环境辐射透过E >\膜后经过黑腔内壁面反射后间接辐照至靶丸表面(由黑腔内壁向靶丸表面发射的红外辐射'
黑腔外壁吸收的红外辐射)I I *
可表示为%
J 0%S ;0!913+0
#N $其中%!9为黑腔壁面积&;0为黑腔吸收比例&13+0为E
>\的透光率'被靶丸吸收的红外辐射由两部分组成!定义为直接部分和间接部分'其中!
直接部分是指红外辐射通过E >\立即被靶丸所吸收
的部分)I I *
'
图J !常温屏发射的热红外辐射(&
5J !<0+!,"3(%.!"!+#!"#("-($%+,(--+#17!$$,:-+,4+!"-/!+'0(+3#(%&)
$2+!J #(!%S !3+013+0
).)
J !
;)
#V $其中%!3+0为柱腔两端E >\的面积之和&).)为E >\中靶丸对向的立体角&;)为辐照在靶丸上的被吸收比例'靶丸吸收部分为射线两次穿
过靶丸壁的和'大部分红外光进入黑腔后!在照射靶丸之前照射到黑腔壁'这部分红外光在黑腔上散射后被靶丸所吸收'
考虑一种极端工况!即柱腔周围为M K K]的辐射(E >\膜为纯G @膜#透光率约为P K [$(硅冷却臂的温度
为I P W S]!模拟靶丸的温度场分布!如图M 所示'在这种情况下!靶丸外表面的最大温差约为J K,]!
呈两极热(赤道冷的现象'
靶丸外表面的温差反映到冰层内表面的最
图M !柱腔周围为M K K]时靶丸外表面的温度分布及其冰层分布
(&5M !<+,4+!"-/!+#('-!(1/-($%$%$/-+!'/!.")+$.-"!&+-4+33+-"%#(-'()+3"7
+!#('-!(1/-($%"-M K K]"!$/%#)73(%#!()"3)"2(-7
K I
V I 原子能科学技术!!第S N 卷
大温差约为I K,]'温度高处的氘蒸气压高于
温度低的区域!所以!压力高的氘蒸气向压力低的氘蒸气区域迁移!最终反映在宏观上即为%在M K K'内!温差驱动冰层从两极迁移至赤道#图Q !1K 为起始计时时刻$'*+*!不同透光率的N M I 膜对温度场的影响
根据图I 所示柱腔冷冻靶#低温屏温度为I J K]$结构!在E >\膜透光率为K [(I [(
I K [(J K [(M K [条件下!模拟得到的靶丸外表面和冰层内表面的最大温差如图S "所示'以冰层内表面最大温差低于K W I ,]为标准!若要满足冰层保持的要求!E >\膜的透光率应小于I ['E >\膜透光率可通过在其表面镀不同厚度的铝来调节!镀铝层厚度与E >\膜透光率的关系如图S 1所示!可见!当E >\膜的透光率小于I [时!对应的铝层厚度约为M K%,'*+,!冷冻靶均化实验
由图S 1可知!更厚的铝层对封口膜透射率的改善效果相对较小!且更厚的铝层不利于物
理实验过程中激光束的注入!因此!兼顾冰层保持能力(光学表征需要及物理实验性能!最终冷冻靶E >\膜的镀铝层厚度选为M S%,'并以此作为冷冻靶设计参数开展==结晶生长实验#图N $!实验步骤为%I $当靶丸内有一定量的液氘时!速冻堵管!将燃料总量控制在这一水平&J $采取缓慢回温的方法!使球内多晶冰层融化!并将籽晶留存在充气管内!此时启动降温流程!设定降温速率U a K W K Q]-,(%!氘冰开始结晶生长!
先形成贯穿南北两极的环状晶带后向赤道扩展&M $在硅臂上下两端施加K W J]的温度梯度#上冷下热!上下硅臂温度分别为.上硅(.下硅$
!驱使南极冰层向北极迁移!当靶丸内表面形成较均匀的冰层时!使上下硅臂的温度保持一致!即取消上下硅臂的温度梯度'冰层可保持长达S K,(%以上而不发生显著变化'进一步从实验上证实E >\膜透光率对冰层的保持性能具有大的影响%在一定范围内!E >\膜透光率越小!越有助于冰层的保持
'
图Q !E >\膜为纯G @膜时靶丸内冰层从两极向赤道迁移
(&5Q !R (&!"-($%$.()+3"7+!(%-"!&+-4+33+-.!$,4$3+'-$+B
/"-$!9(-04/!+G @E >\.(3
，图S !E >\膜透光率与靶丸外表面(
冰层内表面最大温差的关系及实验测得的E >\膜上不同铝层厚度对应的透光率
(&5S !6+3"-($%'0(41+-9++%-!"%',(--"%)+$.E >\.(3,"%#,"C (,/,-+,4
+!"-/!+#(..+!+%)+$.$/-+!'/!.")+$.-"!&+-4+33+-"%#(%%+!'/!.")+$.()+3"7
+!"%#-!"%',(--"%)+$.#(..+!+%-;33"7+!-0()*%+''+'$%E >\.(3,17+C 4长江村发黄金
+!(,+%-I
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