冷冻靶温度场瞬态响应特性及二级冷屏影响分析.pdf
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1、第5 7卷 第8期2 0 2 3年8月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.8A u g.2 0 2 3.*冷冻靶温度场瞬态响应特性及二级冷屏影响分析傅智莹,李翠,李黎,阴实开,厉彦忠(西安交通大学能源与动力工程学院,7 1 0 0 4 9,西安)摘要:针对屏蔽结构开启过程中,外界大量辐射热的传入导致的冷冻靶燃料冰层均匀性恶化问题,建立了带低温屏蔽罩和二级冷屏结构的六端直柱腔冷冻靶三维模型,基于B o u s s i n e s q假设和离散坐标(D O)辐射模型,利用F L
2、U E NT软件进行数值模拟,探究了屏蔽结构开启过程靶丸表面温度场的瞬态响应规律,研究了二级冷屏结构及其位置对瞬态温度特性的影响。结果表明:低温屏蔽罩开启过程中,在外界辐射、黑腔内气体对流及充气管导热等因素的综合影响下,靶丸表面温度快速上升,靶丸表面最大温差则先迅速上升至峰值而后下降并趋于稳定;二级冷屏结构能有效阻挡外界高温辐射,使靶丸表面最高温度的温升降低了3 9.5%,靶丸表面温度均匀性改善了3 9%;缩小二级冷屏上下侧壁面的窗口或增大上下侧壁面与靶丸中心的距离,可以进一步降低靶丸表面温升、改善温度均匀性恶化程度;靶丸表面温度对二级冷屏前端上、下侧壁面位置变化的敏感程度远大于其他侧壁面。所
3、得结果对屏蔽结构开启过程中靶丸表面温度场的控制具有指导意义。关键词:冷冻靶;瞬态响应;热屏蔽结构;数值模拟中图分类号:T B 6 6 1 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 8 0 0 7 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 6 6-1 0T r a n s i e n tT e m p e r a t u r eC h a r a c t e r i s t i c so fC r y o g e n i cT a r g e t a n dA n a l y s i so nI n f l u
4、e n c eo fF i x e dT h e r m a l S h i e l d sF UZ h i y i n g,L IC u i,L IL i,Y I NS h i k a i,L IY a n z h o n g(S c h o o l o fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a)A b s t r a c t:Wh e nt h e c r y o g e n i c t h e r
5、m a l s h i e l d i s r e m o v e d,t h e f u e l i c eu n i f o r m i t yo f c r y o g e n i c t a r-g e td e t e r i o r a t e ss i g n i f i c a n t l yd u et ot h ei n t r o d u c t i o no fal a r g ea m o u n to fr a d i a n th e a tf r o mt h ea m b i e n t e n v i r o n m e n t.F o r t h i sp
6、 r o b l e m,a t h r e e-d i m e n s i o n a lm o d e lw a se s t a b l i s h e df o ras i x-e n-t r a n c ec y l i n d e r-h o h l r a u mc r y o g e n i c t a r g e tw i t hr e m o v a b l ea n df i x e dt h e r m a l s h i e l d sb a s e do nt h eB o u s s i n e s qh y p o t h e s i sa n dt h ed
7、i s c r e t ec o o r d i n a t e(D O)r a d i a t i o nm o d e l i nt h ep r e s e n ts t u d y.T h eF L U E NTs o f t w a r ei su s e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oi n v e s t i g a t et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ec a p s u l es u r f a c
8、 ed u r i n gt h et h e r m a l s h i e l dr e m o v a lp r o c e s s,a n da n a l y z et h ei n f l u e n c eo f t h es t r u c t u r ea n dp o s i t i o no f t h ef i x e dt h e r m a l s h i e l do nt h e s et r a n s i e n t t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s.T h er e s u l t ss
9、h o wt h a td u r i n gt h er e m o v a lo ft h ec r y o g e n i ct h e r m a ls h i e l d,t h et e m p e r a t u r eo f t h ec a p s u l es u r f a c e i n c r e a s e s r a p i d l yu n d e r t h ec o m b i n e de f f e c to f t h ee x t e r n a l r a-d i a t i o n,t h e c o n v e c t i o n i nt h
10、 eh o h l r a u ma n d t h e c o n d u c t i o nt h r o u g ht h e f i l l t u b e,w h i l e t h em a x i-m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo nt h ec a p s u l es u r f a c ef i r s t i n c r e a s e sr a p i d l yt ot h ep e a k,t h e nd e-*收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 9。作者简介:傅智莹(1 9 9 8),男,硕士生;李翠
11、(通信作者),女,副教授。基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 7 6 0 2 1)。网络出版时间:2 0 2 3-0 4-0 5 网络出版地址:h t t p s:k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 3 0 4 2 5.1 2 1 3.0 0 4.h t m l 第8期傅智莹,等:冷冻靶温度场瞬态响应特性及二级冷屏影响分析 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n c r e a s e s,a n df i n a l l yt e n d s t ob es t a b
12、 l e.T h e f i x e dt h e r m a l s h i e l ds t r u c t u r ec a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tt h ee x t e r n a lh i g h-t e m p e r a t u r er a d i a t i o n,r e d u c i n gt h e t e m p e r a t u r er i s e i nt h em a x i m u mt e m p e r a-t u r eo nt h ec a p s u l es u r f a c eb y3 9
13、.5%a n di m p r o v i n gt h eu n i f o r m i t yo fc a p s u l es u r f a c et e m p e r a-t u r eb y3 9%.R e d u c i n gt h es i z eo fw i n d o w s i nt h eu p p e ra n dl o w e rs i d ew a l l so r i n c r e a s i n gt h ed i s t a n c e sf r o mt h ew a l l s t o t h e c a p s u l e c e n t e r
14、 c a n f u r t h e r r e d u c e t h e t e m p e r a t u r e r i s eo f t h em a x i-m u mt e m p e r a t u r eo nt h ec a p s u l es u r f a c ea n ds u p p r e s s t h ed e t e r i o r a t i o no f t e m p e r a t u r eu n i f o r m i-t y.T h es e n s i t i v i t yo fc a p s u l es u r f a c et e
15、m p e r a t u r et ot h ec h a n g ei np o s i t i o n so ft h ef r o n tu p p e ra n d l o w e r s i d ew a l l s o f t h e f i x e d t h e r m a l s h i e l d i sh i g h e r t h a n t h a t o f o t h e r s i d ew a l l s.T h e r e s u l t sa r e i n s t r u c t i v e f o r t h e c a p s u l e s u
16、r f a c e t e m p e r a t u r e c o n t r o l d u r i n gc r y o g e n i c t h e r m a l s h i e l dr e m o v a l.K e y w o r d s:c r y o g e n i c t a r g e t;t r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i c s;t h e r m a l s h i e l d;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 聚变能作为一种丰富、清洁、高效的新能源而备受关注。目前,
17、惯性约束核聚变(I C F)是最有希望实现可控核聚变的一种方法1-2。在国际上,进行I C F实验研究的装置有美国国家点火装置(N I F)3-6、法国兆焦激光装置(L M J)7和中国神光激光装置等8。在2 0 2 1年8月,N I F实现了1.3M J创纪录的聚变放能,但能量增益仅为0.7 29。而在2 0 2 2年1 2月,N I F点火成功,输入2.0 5M J能量,产出3.1 5M J聚变能,能量增益超过了1,得到了跨越式的突破1 0。冷冻靶是当前世界上实现I C F点火目标的首选靶型1 1。I C F通常采用的是间接点火方式1 2,即利用驱动器产生的高能量激光通过激光入射口(L E
18、 H)射入黑腔内,黑腔壁面吸收并转化成X射线,加热黑腔内靶丸的核聚变燃料,形成高温等离子体,进而使靶丸内爆,并实现核聚变反应。要使内爆过程能顺利进行,需要氘氚(D T)冰层足够均匀光滑来减轻由于流体动力学不稳定性(瑞利-泰勒不稳定性)所带来的影响1 3-1 4。为了实现I C F的成功点火,D T冰层必须均匀度大于9 9%,其表面粗糙度小于1m1 5-1 6。而获得高质量D T冰层的关键是控制靶丸表面的最大温差,当靶丸表面温度足够均匀时,才能获得均匀的D T冰层1 7。在制靶过程中,为提升燃料品质,通常使用常温屏蔽罩、低温屏蔽罩、硅臂屏蔽片和二级冷屏等多重屏蔽结构来削弱外界高温辐射对冷冻靶靶丸
19、表面温度均匀性的影响1 8。低温屏蔽罩可以为冷冻靶提供相对均匀的低温环境,防止激光入射口处发生冷凝以及减少外界环境辐射对靶丸温度均匀性的影响,从而改善燃料冰层质量1 9-2 0。而打靶时,低温屏蔽罩需要被稳定的完全移除,以便于激光能够准确的投射至靶丸2 1。移除低温屏蔽罩会使冷冻靶完全暴露在外界环境中,随着外部辐射的大量进入,冷冻靶温度场受到强烈扰动,冰层质量严重下降,届时冰层质量将不足以实现对称内爆,造成点火失败2 2。研究表明,为在屏蔽罩开启后顺利打靶,靶丸外表面最高温度在屏蔽罩开启过程中升高值应小于0.2 5K2 3。二级冷屏作为一种固定式的热屏蔽结构,在制靶时,可以为冷冻靶提供更均匀的
20、低温环境,且在屏蔽罩开启过程中,可以起到阻挡外界大量高温辐射,减少外界辐射影响的作用,但国内外学者对此相关研究鲜有报道。本文通过建立带低温屏蔽罩、二级冷屏和充气管结构的六端直柱腔全冷链冷冻靶三维模型,旨在探究低温屏蔽罩开启过程中,靶丸表面温度场的瞬态特性和二级冷屏结构及位置对瞬态温度特性的影响规律,为工程设计和物理实验提供理论指导。1 数值模拟方法1.1 物理模型本文选取建立的物理模型为六端直柱腔冷冻靶,其 前 端 结 构 参 考 俄 罗 斯 六 孔 注 入 冷 冻 靶 模型2 4。两者主要区别为前者黑腔结构为6个直圆柱型,而后者为6个圆锥型。全冷链模型图如图1所示,包括前端冷冻靶结构、支撑结
21、构和热屏蔽结构3部分。冷冻靶的主要结构包括套筒(TMP)、镀金黑腔、靶丸、充气管、6个激光入射口(L EH)和诊断环等;支撑结构包括硅臂和导冷杆等;热屏蔽结构包括二级冷屏和低温屏蔽罩等。靶丸处于黑腔正中心位置,外表面直径为0.8 7mm,由表及里依次为厚度0.0 6mm的烧蚀层(G D P)、厚度0.0 3mm的D T冰层和直径为0.6 9mm的D T气体共3部分。与靶丸直接相连结构为充气管(材料为石英),其作用是向靶丸内充注燃料气体和支撑靶丸。充气管与靶丸相接处管径为0.0 1 3mm,管壁厚度为2m,与套筒接触处管径为0.1 9 2mm,管壁厚度为1m,充气管与套筒间填充2 5m厚度的低温
22、胶层。规定如下:y轴上的靶丸外表面位置为南北两极;x y平面上的靶丸表面各点所组成的曲线为竖直76西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 特征线;x z平面上的靶丸表面各点所组成的曲线为赤道特征线。图1 冷冻靶模型示意图F i g.1S c h e m a t i cd i a g r a mo f c r y o g e n i c t a r g e tm o d e l 二级冷屏具体结构如图2所示,其材料为高纯无氧铜,其后端底部固定在导冷杆上,接触位置处有一定厚度的铟片。二级冷屏的前端部分上下侧壁面上的圆窗半径R为41
23、 4mm,二级冷屏前端的各个壁面位置及其厚度如表1所示。当R=1 1mm、L=5.2mm、M=1 4.4mm、N=1 4.5mm为二级冷屏的基准位置,在基准位置下,对二级冷屏各侧壁面进行平移,研究二级冷屏结构位置所带来的影响,以远离靶丸中心点平移方向为正方向。在对一个方向的壁面进行平移时,固定其他壁面的位置,同时保持每个壁面的厚度不变。上述物理模型中所用到的不同材料的物性参数如表2所示。图2 二级冷屏结构示意图F i g.2S c h e m a t i cd i a g r a mo f f i x e dt h e r m a l s h i e l d表1 二级冷屏前端各壁面尺寸参数T
24、a b l e1S i z ep a r a m e t e r so f f i x e dt h e r m a l s h i e l d壁面内壁面距靶丸中心垂直距离/mm厚度/mm上、下侧L=4.29.21.0 0左侧M=1 2.41 8.41.1 2前、后侧N=1 3.51 8.50.5 0表2 主要材料的物性参数(1 8K)T a b l e2P h y s i c a l p r o p e r t i e so fm a i nm a t e r i a l(1 8K)材料密度/(k gm-3)比热容/(Jk g-1K-1)导热系数/(Wm-1K-1)铜90 2 85.1 6
25、05 37 7 7.4 0 10 0单晶硅23 3 03.7 9 00 013 7 7.0 0 00 0石英26 6 44 3.3 2 00 00.3 1 00 0低温胶12 0 06 8.1 4 00 00.0 3 20 0氦气152 1 4.3 0 00 00.0 2 61 11.2 数值方法利用基于有限容积法的AN S Y SF l u e n t2 0 2 1R 1软件进行数值模拟计算。因L EH封口膜及低温屏蔽罩上所开的方形窗口和圆形窗口均为半透明介质,故在模拟中采用离散坐标(D O)辐射模型2 5。黑腔内的气体流动为自然对流,且气体密度和温度变化小,故使用B o u s s i n
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