[发明专利]一种冷冻靶靶丸冰层形成装置及方法

说明书

本发明公开了一种冷冻靶靶丸冰层形成装置及方法，该装置包括冷冻靶丸（4）、燃料箱（7）、加热器（9）和计算机（12）；其中，冷冻靶丸（4）通过充气管（3）与燃料箱（7）相连通，燃料箱（7）内设置有聚变燃料（8）和加热器（9），计算机（12）用于控制加热器（9）工作。该方法包括以下步骤：1）在燃料分层前，加热器9不加热；2）对靶丸4降温，开启加热器9；3）填充气体2注入靶丸发生凝华，附着于靶壳1内表面；4）充气管3出口端面为平切面时，加热器9产生压力脉冲，使充气管3继续充气；充气管3出口端面为斜切面时，连续充气；5）停止充气，充气管3堵塞，断开充气管3，靶丸4内部自身β均化形成较光滑冰层。

技术领域

本发明属于惯性约束聚变(ICF)中的靶技术领域，具体涉及一种冷冻靶靶丸冰层形成装置及方法。

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，是实现聚 变点火的主要方法之一。

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球形靶丸表面，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。

现阶段ICF尚未商用，仍处于研究阶段，对其点火效率的提高仍有待于研究，点火成功与否以及效率与冷冻靶的综合性能密切相关。靶丸冰层的均匀性与点火成功率息息相关，靶丸冰层不均匀是由于内部聚变燃料由液体凝固成固体时表面不均匀引起的。采用的均化技术主要包括温度梯度、红外光加热等方法，但是现阶段均化技术难度大，且成功率不能保证。

发明内容

为了克服以上的缺点，本发明的目的在于提供一种冷冻靶靶丸冰层形成装置及方法，有效改善靶丸内冰层的均匀性，提高冷冻靶丸内爆性能，满足点火的要求。

一种冷冻靶靶丸冰层形成装置，具体包括冷冻靶丸4、燃料箱7、加热器9和计算机12；其中，冷冻靶丸4通过充气管3与燃料箱7相连通，燃料箱7内有聚变燃料8和加热器9，计算机12用于控制加热器9工作，冷冻靶丸4包括靶壳1以及填充在靶壳1内的填充气体2，流量监控仪11以及设置在充气管3上的流量计5，流量监控仪11通过数据线10分别与流量计5和计算机12相连。在燃料箱7装有压力计6。

一种冷冻靶丸冰层形成方法，包括以下步骤：

1）在燃料分层前，加热器9不加热，填充气体2处于饱和态；

2）对靶丸4进行降温，降至低于三相点温度，同时开启加热器9，此时靶丸4中填充气体2压力低于三相点压力。

3）填充气体2注入靶丸后即发生凝华，并附着于靶壳1内表面。

4）充气管3出口端面为平切面时，一段时间后冰层堵塞充气管3管口，加热器9提高加热功率，产生一个压力脉冲，从而使充气管3继续充气；充气管3出口端面为斜切面时，可以连续充气，从而最终形成冰层。

5）冰层厚度达标后，停止充气，充气管3堵塞，断开充气管3，靶丸4内部由于自身β均化作用将形成较光滑的冰层。

本发明具有如下的优点：