球腔冷冻靶温度场影响因素的模拟研究

摘要

可控核聚变作为解决人类未来能源危机的一种清洁能源，正受到各国大力研究。激光惯性约束聚变是可控核聚变的关键技术途径之一。具有均匀DT冰层的冷冻靶是惯性约束聚变点火的首选靶型。冷冻靶的制备可以通过对靶丸周围的热环境进行严格的控制，能后获得较为均匀的温度场，从而得到较为均匀的DT冰层。本文在比较柱腔与球腔模型的基础上，选取了外方内球的结构模型进行了研究。利用计算流体力学软件Fluent对影响靶丸温度场分布的相关因素进行了系统的研究。获得了以下结论：　　通过模拟分析玻璃靶丸、CH聚合物靶丸、Be(Cu)靶丸以及高密度碳（HDC）靶丸这四种材料，得出靶丸周围的温度场与材料的热导率有关，而具有高热导率的烧蚀层，靶丸周围温度场分布越均匀；同时随着烧蚀层的厚度越厚，靶丸外表面温度温差也就越小，周围的温度场均匀性也越好；靶丸的装配偏移的方向不同对冷冻靶的影响也不同，沿径向偏移会严重影响温度场的均匀性，而沿轴向向上偏移会增加温度场的均匀性。　　为获得了辐射相关因素对冷冻靶温度场分布的影响规律，根据冷冻靶温度控制的要求，利用计算机模拟的方法对冷冻罩系统进行了分析。随着冷冻罩尺寸的增加，靶丸周围温度场温差增大，不利于形成均匀的温度场。而随着入射窗口直径的增大，进入黑腔内的辐射量增加，增加的辐射热量破坏靶丸的温度场，不利于形成均匀的温度场。因此选用适当尺寸的冷冻罩、窗口直径利用形成均匀的温度场。　　为抵消自然对流对冷冻靶温度场的影响，研究了黑腔内填充气体、制冷过程中对制冷方式的调控以及温度补偿法。结果表明，在降温过程中填充He气压力对靶丸上温度分布影响较大，随气体压力的增大，温度逐渐降低；具有高比例氦气的混合填充气体能够改善靶丸表面温度的均匀性。与定壁温相比，具有扰动的降温方式有利于提高温度场的均匀性；与正弦函数波扰动相比，冷却壁面采用矩形波扰动，靶丸赤道温度波动振幅较大，均匀性较差。采用温度补偿法来抑制由重力引起的自然对流造成的温度不均匀性。当上冷臂温度恒定，改变下冷臂温度时，随着上下冷臂温差的增大靶丸外表面最大温差先减小后增大。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 激光约束聚变发展现状

1.3 理论基础

1.3.1计算机模拟

1.3.2 传热理论

1.4 物理模型

1.4.1 柱腔结构

1.4.2 球腔结构

1.5 研究方法

1.5.1模型选择

1.5.2 研究内容

2 靶丸属性对冷冻靶温度场影响的研究

2.1靶丸材料对温度场的影响

2.2 靶丸尺寸对靶丸温度场上的影响

2.3 靶丸装配质量对靶丸温度场的影响

2.4 本章小结

3 辐射因素对冷冻靶温度场的影响

3.1 冷冻罩的设计

3.2 LEH对靶丸温度场的影响

3.3 本章小结

4 冷冻靶降温过程均化研究

4.1黑腔内填充不同种类气体对黑腔和靶丸温度场的影响

4.2 降温方式对温度场的影响

4.3 温度补偿法

4.4本章小结

结论与展望

致谢

参考文献