[发明专利]一种高温或高压空心微球充气系统

说明书

技术领域

本发明涉及微球充气技术领域，具体涉及一种高温高压空心微球充气系统，充气系统的微球充气时所用的充气温度最高可达900℃高温或充气压力最高可达120MP高压。

背景技术

激光惯性约束聚变（ICF）实验中需要将靶丸内充入高压燃料气体，向靶丸内加载气态燃料一般称为充气。靶丸充气主要有四种方法，即热扩散充气、制球原位充气、注入法充气和充气管充气。热扩散充气是靶丸高压充气最普遍采用的充气方法。热扩散充气法，即微球充气时保持球壳外压力大于球壳内压力的条件下，气体原子（或分子）由压力（浓度）高的地方向压力（浓度）低的地方迁移。如果球壳材料的耐外压能力和对气体的渗透系数足够大，在适当的外加压力的条件下，就可以在预定的时间范围内将球内气压充到所需要的压力。决定热扩散充气的关键参数是气体渗透系数，根据Arrhenius公式，气体渗透系数与温度的关系为：

                                                  ………………………………⑴

式中：

K——气体渗透系数，mol×m^-1×s^-1×Pa^-1；

K₀——不随温度变化的常数，mol×m^-1×s^-1×Pa^-1；

E——气体渗透能，J；

——玻耳兹曼（Boltzman）常数，＝1.38×10^-23，J×K^-1；

T——为热力学温度，K。

 由式（1）知，渗透系数随温度升高而增大。充气时采用高温，气体渗透系数增大，外部气体比较容易扩散到球内；微球保存时，保持室温或低温，气体渗透系数降低，球内气体不容易向外扩散，这样气体在一定的时间范围内得以保藏在球内，这就是热扩散充气的最基本原理。微球充气时为了更有效的将气体充入球内，提高微球充气压力和温度是两种行之有效的重要手段。

靶丸热扩散充气工艺主要包括三个方面：测量球壳的阻气性能、耐外压能力和耐内压能力。球壳的耐外压能力决定着充气过程使用的外压，球壳的耐内压能力决定实验能使用的在该温度下靶丸燃料的最高压力。靶丸耐外压和内压强度测量及靶丸充气均需要靶丸高压充气装置。一套性能满足要求，操作安全可靠的充气装置是靶丸高压充气的硬件保障条件。

在最高可达900℃高温和最高可达120MP高压的充气系统投入使用前，采用的充气系统最高工作压力55 MPa，最高工作温度450℃；随着靶丸制备与充气技术研究开展，对靶丸高压充气和高温充气提出新的需求。测量候选靶丸耐内压强度时，球内压力将可能达到40 MPa～50 MPa。在双壳层靶充气，燃料浸润泡沫靶丸或冷冻靶中，球内初始压力可能超过50 MPa，甚至达到100 MPa。因此，充气系统的充气压力需要超过100 MPa。高温充气主要应用于陶瓷或类陶瓷靶丸充气中，如二氧化硅靶丸充气将可能用到600℃～800℃，点火靶候选靶丸碳化硼、碳化硅等靶丸充气，也可能需要达到900℃。

充气系统设计中主要考虑充气室材料选择和系统操作方便和安全运行，工作压力超过100 MPa，工作温度超过900 ℃，如果在同一充气室内实现，没有材料能满足要求，考虑对高温和高压适当拆分，达到高压要求时，适当降低温度要求；达到高温要求时，适当降低压力要求，即便如此，材料选择也是设计难点之一。在国内外，均有工作压力大于100MPa的高压装置运行，但这些装置都是大型装置，操作和维护人员通常几十甚至上百，维护运行成本也非常高。因而能使用高压可燃气体，安全可靠程度高和耗费人力、物力低，甚至要求在无人职守时也可安全运行的充气装置是设计充气系统的目标。在设计和材料选择上，高压充气室和高温充气室密封面不能采用焊接方式密封，还要考虑相同材料间的“拉着”问题。高压充气室要考虑压力传递，高温充气室要考虑温度传递。

表1　HR120与204和316材料强度比较

高压充气室和高温充气室最主要考虑为充气室壁厚计算。充气室壁厚计算依据筒（管）状压力容器壁厚计算公式：

………………………………………（2）

式中：

d——壁厚，mm；

P——压力，MPa；