辐射条件下冷冻靶靶丸表面及充气管温度特性数

近年来，煤、石油及天然气等化石能源消耗巨大，能源危机及环境问题日益严峻[1-5]。为寻求一种高效清洁的能源形式，惯性约束核聚变(ICF)的概念应运而生[6-7]。ICF是指依靠热核燃料和推进层剩余质量的惯性对高温高密度的热核燃料进行约束，使其实现热核聚变，从而获取聚变能的方法[8]。目前国外ICF装置主要有美国国家点火装置和法国兆焦耳激光装置[9-10]，国内ICF装置为中国工程物理研究院激光聚变研究中心的SG-Ⅲ装置[11-13]。ICF装置的主要部件为置于冷冻靶系统中心的球形靶丸，为实现点火要求，靶丸内燃料冰层均匀性需大于99%，表面均方根粗糙度需小于1 μm[14-16]，冰层低模粗糙度主要受冷冻靶温度场所决定。

在冷冻靶靶丸冰层制备阶段，需先通过充气管对靶丸进行燃料加注，然后迅速降温，使氘燃料气在靶丸及充气管内迅速固化结晶。之后缓慢抬升上下硅臂温度，使靶丸内的燃料冰层逐渐融化，同时需确保靶丸与充气管连接处的冰晶不会消失。靶丸与充气管连接处的冰晶作用主要有：1) 作为冰层生长的籽晶，用以满足冰层的单晶制备需求，保证冰层质量；2) 将靶内空间同充气管外侧高温气源隔绝，避免外界高温燃料气体侵入靶丸内部影响冰层质量[17]。然而，在SG-Ⅲ实验过程中发现，缓慢抬升上下硅臂温度时，靶丸与充气管连接处的燃料冰先融化，即其局部温度较高，使得靶丸内部空间与外侧高温气源直接连通，靶丸内冰层质量恶化。为此，本文研究辐射条件下，不同屏蔽罩温度、封口膜透射率及铝套筒表面发射率对靶丸表面及充气管沿程温度分布的影响，以解决实验中的不能堵管问题。

1 物理模型与数值方法

1.1 物理模型

冷冻靶柱腔物理模型如图1所示。冷冻靶尺寸参考美国国家点火装置[18]，CH靶丸外径为0.84 mm，靶壳厚度为0.06 mm；靶丸内无冰层，靶丸内及充气管内填充1 kPa氘气；石英充气管壁厚为0.01 mm，充气管入口处内径为0.17 mm，出口处内径为0.04 mm；铝制转接管内径为0.20 mm，壁厚为0.10 mm；金腔内径为2.60 mm，壁厚为0.03 mm；金腔外壁通过4个截面为0.02 mm×0.02 mm的金制凸环(图中未标出)与铝套筒内壁连接；铝套筒高度为4.84 mm，内径为2.70 mm，壁厚为0.50 mm；铝制屏蔽罩尺寸为40 mm×40 mm×40 mm，屏蔽罩窗口膜直径为20 mm。铝套筒与诊断环间、诊断环与转接管间、转接管与充气管间填充有0.03 mm低温胶，充气管与金腔间填充有0.1 mm低温胶。

1——硅臂接触环面；2——铝套筒；3——诊断环；4——激光入射口封口膜；5——金腔；6——氦气腔；7——靶丸外壳；8——充气管；9——转接管；10——低温屏蔽罩(内置冷冻靶装置)；11——屏蔽罩窗口膜(低温屏蔽罩上下、前后设有4个)图1 冷冻靶装置物理模型Fig.1 Physical model for cryogenic target

1.2 数值方法

由于冷冻靶模型沿竖直平面对称，故仅对半个模型剖分计算网格。采用ANSYS Gambit软件对冷冻靶柱腔模型进行网格剖分，并进行网格无关性验证，以确保计算结果的准确性。以靶丸表面最大温差作为表征参数，分别对180万、340万、560万和990万网格数进行计算，网格无关性验证结果如图2所示，最终计算采用网格数为340万的模型进行研究。

采用ANSYS Fluent 15.0进行模拟计算。定义典型工况如下：屏蔽罩外为300 K常温环境，屏蔽罩温度为30 K，屏蔽罩发射率为1，屏蔽罩窗口膜透射率为1，罩内为真空环境；上下冷臂温度为18 K；南北两极封口膜透射率为0.001；铝套筒壁面发射率为0.5，金腔表面发射率为0.02；氦气腔内氦气压力为1 kPa；充气管及转接管表面发射率为0.5；靶丸考虑为理想黑体，靶丸内及充气管内填充1 kPa氘气。

图2 网格无关性验证结果Fig.2 Gird-independent validation result

由于氦气腔内部温差较小，故采用Boussinesq近似模拟腔内氦气的自然对流；为处理半透明介质的透射问题，需采用离散坐标法(DO)模拟冷冻靶系统中的辐射工况。计算中所使用的材料物性参数列于表1。

表1 不同材料在18 K环境下的物性参数Table 1 Physical properties of different materials at 18 K材料密度ρ/(kg·m-3)热容cp/(J·kg-1·K-1)导热系数λ/(W·m-1·K-1)动力黏度μ/(kg·m-1·s-1)铝2 金19 .661 173.44低温胶2 .410.022石英2 .@1 kPa0.35 ×10-6D2@1 ×10-6

2 典型工况分析

首先对典型工况下冷冻靶铝套筒、氦气腔及靶丸温度云图进行分析，探究柱腔内关键部件的温度分布基本规律，结果如图3所示。

从图3a可看出，由于辐射的影响，诊断环表面温度高于铝套筒，且越靠近赤道处诊断环温度越高。铝套筒和诊断环表面温度云图关于赤道对称，但由于转接管的存在，铝套筒及诊断环周向温度分布并不对称，越靠近转接管温度越高，同一周线上温度最低点在充气管位置对侧，这是因为转接管同诊断环之间涂有低温胶层，转接管所受到的辐射热流无法有效传递到上下冷臂，从而使得转接管温度较高。

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