CN108877958A - 一种球形icf冷冻靶系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了填充气凝胶的ICF冷冻靶系统，属于惯性约束聚变中(ICF)靶装配领域，本冷冻靶采用非传统的球形腔体结构，由于其结构的球对称性，一方面可以使靶丸表面温度均匀性得到优化从而优化冰层分布，另一方面可以抑制等离子体膨胀。进一步的，本发明加入三自由度结构，通过转动使球形冷冻靶内部温度场更加均匀。

Description

一种球形ICF冷冻靶系统
技术领域
本发明涉及一种球形ICF冷冻靶系统，属于惯性约束聚变领域。
背景技术
惯性约束聚变是利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是：利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料（氘、氚）形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。由于这种核聚变是依靠等离子体粒子自身的惯性约束作用而实现的，因而称为惯性约束聚变。
在惯性约束聚变中，点火条件要求高温、高密度和一定的尺度，采用激光驱动也需要增压手段，其大致过程是：激光首先从四面八方均匀加热靶丸表面，在靶表面形成一层高温稀薄等离子体，然后激光通过这层稀薄等离子体时，以逆韧致和某些等离子体的反常吸收过程被吸收。被吸收的激光能量迅速加热电子，温度可达到3—5千万度。高温电子通过电子热传导，又将大部分能量输运到临近吸收区的烧蚀层密度高的区域，形成一个高温烧蚀阵面（温度急剧变化的一个空间界面），并在此产生高的烧蚀压，这是一个增压过程。它将激光压力提高近千倍。烧蚀压驱动烧蚀阵面附近的物质，一方面将一部分高温高密度等离子体物质向外朝低密度的等离子体区喷射，另一方面由于作用与反作用的关系，将剩余的冷物质压缩并向中心加速运动，产生聚心冲击波，压缩氘氚燃料，这就是惯性约束的含义。这个过程就称为“内爆”，通过球形内爆和内爆过程的聚心效应，使氘氚燃料的压力再增加几万倍，达到点火时要求达到的燃料压力。
前期的研究发现，为了抑制瑞利-泰勒不稳定性的增长，使点火成功，冷冻靶中氘氚(DT)层厚度均匀度必须大于99%且内表面粗糙度的均方根要小于1μm，即表面温度不均匀性低于一定指标才可以顺利点火。
发明内容
本发明的目的是为了解决冷冻靶中靶丸冰层温度很难达到打靶要求的温度均匀度，提供了一种球形ICF冷冻靶系统。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
一种球形ICF冷冻靶系统，如附图1所示，包括金腔3，金腔3的内部中央通过支撑膜5固定有靶丸6，靶丸6内有聚变材料，金腔3的外部设置有热力机械结构2，热力机械结构2分为上、下两部分，通过连接结构7相连，热力机械结构2上设置有冷块1，冷块1与制冷机冷头相连，金腔3内壁内为填充气体4。
一种三自由度球形ICF冷冻靶系统，如附图2所示，包括金腔3，金腔3的内部中央通过支撑膜5固定有靶丸6，靶丸6内有聚变材料，金腔3的外部设置有热力机械结构2，热力机械结构2分为上、下两部分，通过连接结构7相连，热力机械结构2上设置有冷块1，冷块1与制冷机冷头相连，金腔3内壁内为填充气体4。金腔3与外侧热力机械结构2之间设置有通过固定杆11固定于机械热力结构2的球形轴承9，构成三自由度结构，吹气口10连接有充气装置。
本发明的有益效果是：通过整体冷冻靶的球形结构，创新性提出了具体的制冷方法，简化了现有的分层方法，解决了靶丸冰层温度不均匀这一问题；进一步使用三自由度结构，能够完全克服温度不均匀问题，极大提高打靶成功率；同时由于球形结构的完全对称性，各向同性，可以使打靶后的内爆过程顺利进行。本发明作为冷冻靶形式的一种新方案，很好的满足了打靶的要求，为冷冻靶工程的顺利实施奠定了基础，具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明球形ICF冷冻靶系统的示意图。
图2为增加了三自由度结构后的示意图。
图中：1-冷块，2-热力机械结构，3-金腔，4-填充气体，5-支撑膜，6-靶丸，7-连接结构，8-导热气体，9-球形轴承，10-吹气口，11-固定杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，一种球形ICF冷冻靶系统，包括金腔3，金腔3的内部中央通过支撑膜5固定有靶丸6，支撑膜5可以起到支撑和降低内部自然对流的作用，靶丸6内有聚变材料，金腔3的外部设置有热力机械结构2，热力机械结构2分为上、下两部分，组装时将加工好的上下部分通过连接结构7相连，热力机械结构2上设置有冷块1，冷块1与制冷机冷头相连，为整个冷冻靶系统提供冷量，从而为整个系统降温，金腔3内壁内为填充气体4，由于其结构的球对称性，一方面可以使靶丸6表面温度均匀性得到优化，另一方面可以抑制等离子体膨胀，从而可以填充更低压力的填充气体，使靶丸6表面温度均匀性优化，填充气体4的作用为抑制金腔等离子体的膨胀和充当导热介质。
参照图2，所述的金腔3与外侧热力机械结构2之间设置有通过固定杆11固定于机械热力结构2的球形轴承9，构成三自由度结构，内部填充气体4，吹气口10连接有充气装置，可以通过调节吹气的角度和流量控制金腔3的转速和转向，通过转动使球形冷冻靶内部温度场更加均匀。
所述的填充气体4和导热气体8为氦气、氢气或其它低原子序数气体。
本发明的工作原理为：点火后，金腔3表面产生金等离子体，同时激光转化为X射线，照射靶丸6，使靶丸6发生内爆，释放巨大的能量，在成功的点火过程中，靶丸6表面温度均匀性至关重要，由于靶丸的形式以及填充气体4的存在，可以抑制金等离子体膨胀，靶丸的形式以及三自由度结构，可以优化从外到内的传冷过程，从而优化靶丸6表面温度均匀性，提高点火成功率。

Claims (2)

1.一种球形ICF冷冻靶系统，其特征在于，包括金腔（6），该金腔（6）的内部中央通过支撑膜（7）固定有靶丸（8），靶丸（8）内有聚变材料，金腔（6）的外部设置有热力机械结构（2），热力机械结构（2）的上、下两部分通过连接结构（7）连接成一体，热力机械结构（2）上设置有冷块（1），冷块（1）与制冷机冷头相连，为整个冷冻靶系统提供冷量，金腔（6）内壁内为填充气体（4）。
2.根据权利要求1所述的一种球形ICF冷冻靶系统，其特征在于，所述的金腔（6）与外侧热力机械结构（2）之间设置有通过固定杆（11）固定于机械热力结构（2）的球形轴承（9），构成三自由度结构，内部填充气体（4），吹气口（10）连接有充气装置。
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