CN113178266A - 一种包含定向红外辅助加热的icf冷冻靶装置 - Google Patents

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Abstract

一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，包括热辐射屏蔽罩，热辐射屏蔽罩内为真空区域，真空区域内设置有热力机械结构，热力机械结构正中心固定有靶丸，靶丸与热力机械结构之间为氦气腔，热力机械结构内壁面设有红外光纤对靶丸定向红外辅助加热；本发明提高靶丸温度场均匀性，进而提高点火成功率，理论上可以将靶丸表面最大温差降低至0.1mK以下，满足了点火需求。

Description

一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置
技术领域
本发明属于惯性约束核聚变(ICF)靶点火技术领域，具体涉及一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置。
背景技术
惯性约束核聚变(ICF)是一种核聚变的技术，利用激光的冲击波来引发核聚变反应，是实现巨变点火的主要方法之一。为了抑制瑞利-泰勒不稳定性的增长，冷冻靶中氘氘(DD)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，对应为表面温差小于0.1mK。燃料冰层的低模粗糙度主要受靶丸周围的温度场所决定，因此冷冻靶温度场控制的重要性尤为突出。
为了满足如此苛刻的点火要求，制备出尽可能光滑的氘氘冰层，需要通过添加外界激励的方式使得燃料冰层更为均匀。传统的温度场控制是通过调控热力机械结构外的加热带功率来实现的，由于热力机械结构的柱腔的形状限制，对靶丸表面温度场均匀性改善效果相当有限。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，可以通过向冷冻靶系统内投射定向红外，来加热靶丸表面局部冷区域，从而提高靶丸温度场均匀性，进而提高点火成功率，理论上可以将靶丸表面最大温差降低至0.1mK以下，满足了点火需求。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，包括热辐射屏蔽罩1，热辐射屏蔽罩1内为真空区域2，真空区域2内设置有热力机械结构4，热力机械结构4正中心固定有靶丸8，靶丸8与热力机械结构4之间为氦气腔7，热力机械结构4内壁面设有红外光纤9对靶丸8定向红外辅助加热。
所述的热力机械结构4的南北半腔两极设有封口膜6，热力机械结构4的内壁面镀有金层5。
所述的热力机械结构4的南北半腔外侧设有冷环3，冷环3与硅冷却臂接触，为热力机械结构4提供冷量。
所述的靶丸8由碳氢材料制成，由外而内为靶壳10、燃料冰层11和燃料气体12。
所述的红外光纤9共设置6根，热力机械结构4的南北半腔各3根，南北半腔中两根红外光纤9之间的夹角为120°，每根红外光纤9与热力机械结构4的内壁面平行方向和法线方向的夹角都是45°。
本发明的有益效果为：相比于氘-氚，氘-氘这种聚变燃料不具有放射性，因此无法像氘-氚燃料那样在靶丸内冰层制备过程中产生β衰变从而起到自均化的目的。传统的温度场控制是通过调控热力机械结构外的加热带功率来实现的。由于热力机械结构的柱腔的形状限制，此传统手段对靶丸表面温度场均匀性改善效果相当有限。采用本发明可以通过调节红外加热功率及辐照角度等参数，可脱热力机械结构的形状限制，实现局部精确加热，有效改善靶丸表面温度均匀性，提高点火成功率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为靶丸剖面结构示意图。
图3为北半腔红外光纤布置俯视图。
图4为南半腔红外光纤布置仰视图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，包括热辐射屏蔽罩1，热辐射屏蔽罩1内为真空区域2，真空区域2内设置有热力机械结构4，热力机械结构4正中心固定有靶丸8，靶丸8与热力机械结构4之间为氦气腔7，热力机械结构4内壁面开设有定向红外注入孔，用来插入红外光纤9对靶丸8定向红外辅助加热。
所述的热力机械结构4的南北半腔两极设有封口膜6，热力机械结构4的内壁面镀有金层5。
所述的热力机械结构4的南北半腔外侧设有冷环3，冷环3与硅冷却臂接触，为热力机械结构4提供冷量。
参照图1和图2，所述的靶丸8由碳氢材料制成，由外而内为靶壳10、燃料冰层11和燃料气体12。
参照图1、图3和图4，所述的红外光纤9共设置6根，热力机械结构4的南北半腔各3根，南北半腔中两根红外光纤9之间的夹角为120°，每根红外光纤9与热力机械结构4的内壁面平行方向和法线方向的夹角都是45°，南北半腔红外光纤9周向错位60°。
所述的热力机械结构4高10mm，内径5.44mm，壁厚0.5mm；靶壳10外径1.1mm，内径0.91mm，燃料冰层11厚68μm；红外光纤9直径0.3mm，每根红外光纤9距离热力机械结构4内部的赤道平面均为2.72mm。
所述的热辐射屏蔽罩1的温度为120K，发射率为1.0。
所述的封口膜6对环境红外的透射率为0.05。
所述的热力机械结构4内表面镀有的金层5厚度为10μm，发射率为0.03。
所述的靶丸8表面为黑体。
所述的氦气腔7内氦气填充压力为10kPa。
本发明的工作原理为：由于热力机械结构4的柱腔形状限制，以及南北半腔两极的封口膜6透射的环境红外的辐照，靶丸8表面温度呈现出赤道温度低，南北半腔两极温度高的分布趋势，为了满足点火需求，需要将靶丸8赤道区域的温度适量抬升；设置在热力机械结构4内壁的红外光纤9通过将预设的定向红外光投射于热力机械结构4内壁上，之后通过漫反射及镜面反射辐照在靶丸8赤道区域，靶丸8受红外辐照的作用会被局部加热，从而赤道区域温度得到抬升，靶丸8表面温度均匀性得到改善，满足点火需求。
通过理论计算，上述实施例在未启用定向红外辅助加热时，靶丸8表面最大温差为0.252mK，不满足点火条件。在设置红外光纤9功率密度为6W/m2后，靶丸8表面最大温差降至0.086mK，此时满足点火条件。

Claims (10)

1.一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，包括热辐射屏蔽罩(1)，热辐射屏蔽罩(1)内为真空区域(2)，其特征在于：真空区域(2)内设置有热力机械结构(4)，热力机械结构(4)正中心固定有靶丸(8)，靶丸(8)与热力机械结构(4)之间为氦气腔(7)，热力机械结构(4)内壁面设有红外光纤(9)对靶丸(8)定向红外辅助加热。
2.根据权利要求1所述的一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，其特征在于：所述的热力机械结构(4)的南北半腔两极设有封口膜(6)，热力机械结构(4)的内壁面镀有金层(5)。
3.根据权利要求1所述的一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，其特征在于：所述的热力机械结构(4)的南北半腔外侧设有冷环(3)，冷环(3)与硅冷却臂接触，为热力机械结构(4)提供冷量。
4.根据权利要求1所述的一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，其特征在于：所述的靶丸(8)由碳氢材料制成，由外而内为靶壳(10)、燃料冰层(11)和燃料气体(12)。
5.根据权利要求1所述的一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，其特征在于：所述的红外光纤(9)共设置6根，热力机械结构(4)的南北半腔各3根，南北半腔中两根红外光纤(9)之间的夹角为120°，每根红外光纤(9)与热力机械结构(4)的内壁面平行方向和法线方向的夹角都是45°。
6.根据权利要求1所述的一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，其特征在于：所述的热辐射屏蔽罩(1)的温度为120K，发射率为1.0。
7.根据权利要求2所述的一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，其特征在于：所述的封口膜(6)对环境红外的透射率为0.05。
8.根据权利要求2所述的一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，其特征在于：所述的热力机械结构(4)内表面镀有的金层(5)厚度为10μm，发射率为0.03。
9.根据权利要求1所述的一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，其特征在于：所述的靶丸(8)表面为黑体。
10.根据权利要求2所述的一种包含定向红外辅助加热的ICF冷冻靶装置，其特征在于：所述的氦气腔(7)内氦气填充压力为10kPa。
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