冷冻靶制备中温度控制的数值模拟研究

论文摘要

冷冻靶的制备是实现惯性约束聚变点火的核心技术,本文在间接驱动靶中采用β分层技术制备氘氚(DT)冷冻靶,要实现DT冷冻层的均匀分布,关键是如何控制靶丸表面温度的均匀性。以法国兆焦激光装置LMJ为原型,利用计算流体动力学程序Fluent,在二维(2D)轴对称模型下研究了间接驱动靶中温度控制的相关问题。研究了间接驱动靶的辅助加热机制。结果表明要实现靶丸温度的均匀分布,须保证黑腔壁上的温度满足特定的分布,因此,在冷冻的同时需在腔外壁上施加辅助加热,在只考虑热传导和辐射传热时,通过在腔体外壁的中平面上下各1.3mm的范围施加635W /m 2的热流密度时,可以达到点火所要求的靶丸温度均匀性要求。研究了黑腔内氦氢气体的自然对流传热对靶丸温度均匀性的影响及相关的解决措施。数值模拟的结果表明,当腔内氦氢气体达到一定压强时,需要考虑气体的自然对流效应。为了实现点火时DT冷冻层的均匀分布,我们结合辅助加热的方法,用聚合薄膜在气体对流的主流方向上把腔体分隔成七个区域,并且使上下冷却环之间存在±0.5mK的温度差时,能够很好的减小靶表面的温度扰动,达到点火靶的要求。研究了靶丸的校准误差和烧蚀层的粗糙度对DT层均匀性的影响。结果表明为了保证DT层内表面的粗糙度的均方根小于1μm,靶丸轴向偏离腔体中心的尺度须保证在8.5μm内,且须控制烧蚀层轴向非均匀度在0.72μm内。同时,为了满足靶丸均匀性的要求,更应避免径向偏离引起的误差。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及可控核聚变的实现途径
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 实现可控核聚变条件及途径
• 1.1.3 惯性约束聚变
• 1.2 冷冻靶的制备方法
• 1.2.1 冷冻靶的设计
• 1.2.2 冷冻靶制备方法
• 1.3 冷冻靶制备的困难
• 1.4 本文的研究工作
• 第二章 物理模型与数值方法
• 2.1 物理模型
• 2.1.1 间接驱动靶的构造
• 2.1.2 模型中的相关物理参数
• 2.2 Fluent 的传热模型
• 2.2.1 导热和对流换热控制方程
• 2.2.2 辐射传热控制方程
• 2.3 Fluent 的算法
• 2.3.1 数值传热学的思想及常用方法
• 2.3.2 有限容积法简介
• 2.4 本章小结
• 第三章 黑腔中影响温度均匀性的因素
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型
• 3.3 黑腔中的热力学问题
• 3.4 黑腔中的流体力学问题
• 3.5 本章小结
• 第四章 辅助加热的研究
• 4.1 引言
• 4.2 理论模型
• 4.3 辅助加热的模拟
• 4.4 本章小结
• 第五章 减小填充气体对流传热影响的研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算模型
• 5.3 模拟结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 靶丸校准和烧蚀层制备误差研究
• 6.1 引言
• 6.2 DT 层粗糙度与温度的关系
• 6.3 计算模型和数值分析
• 6.3.1 计算模型
• 6.3.2 数值分析
• 6.4 本章小结
• 全文总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在学期间取得的学术成果