快点火锥壳靶制备技术基础研究

发布时间：2020-07-27 17:15

【摘要】：快点火是上世纪九十年代中期提出的一种惯性约束聚变(ICF)新型点火方式。它将ICF内爆压缩和点火过程分开进行,首先通过纳秒长脉冲激光将聚变燃料压缩到高密度,然后利用高能激光在等离子体中传播的穿孔效应形成的通道,将点火激光的能量输运到压缩后的燃料边缘区域,并沉积能量,加热燃料至点火燃烧。与传统的中心点火相比,快点火方式具有点火阈值低、能量增益高、压缩对称性要求低等优势,已经成为国际ICF研究的重点内容。为了降低复杂的激光与等离子体相互作用过程造成的物理风险,快点火靶通常采用锥壳结构设计,通过插入球壳内的金属锥作为点火激光的通道。在锥壳靶的制备过程中,在聚合物微球表面上打孔的精度是影响锥壳靶整体质量的关键因素。本文以快点火基础物理实验需求为牵引,探索聚合物微球打孔的技术途径,着眼解决影响微球打孔质量的关键技术基础问题,具体研究内容包括以下几个方面：研究了聚苯乙烯(PS)、氘代聚苯乙烯(DPS)和辉光放电聚合物(GDP)三种材料的飞秒激光烧蚀特性。结果发现：PS和DPS材料的飞秒激光烧蚀过程符合阈值模型,DPS的烧蚀阈值和累积系数都要高于PS。GDP材料的飞秒激光烧蚀过程与阈值模型有相当大的差异。入射激光脉冲能量和脉冲数不仅影响烧蚀区域的大小,而且对烧蚀区域周围的形态也发生了影响。飞秒激光在聚合物微球表面加工的孔存在一定的圆度偏差和锥度,采用圆偏振光及多次加工的方法可以获得直径90μm～500μm,位置偏差小于10μm,直径偏差和圆度误差小于2μm,锥度约15°的微孔。。开展了聚合物材料金刚石车削加工工艺参数优化研究。采用二次回归旋转正交实验方法,以表面粗糙度作为评价指标,建立了基于主轴转速、进给速度和背吃刀量等三个主要工艺参数的表面粗糙度模型,设计了正交实验方案并进行了PS材料的金刚石车削加工工艺实验。利用该方法获得了PS材料金刚石车削加工的最佳工艺参数组合,在适当的加工工艺参数条件下,PS材料的加工表面粗糙度可以达到20nm左右。开展了GDP空心微球表面金刚石车削微孔成型技术研究。设计了直线进给与阶梯进给两种刀具运动方式和具有尖刀刃结构、主后刀面和副后刀面均采用两级后角结构设计的专用金刚石刀具,解决了空心微球高精度无损装夹等关键技术难题。在GDP微球表面获得了直径约150μm,尺寸偏差小于±5gm,圆度好于2μm的微孔结构。开展了基于金刚石微探针的聚合物纳米机械加工过程分子动力学模拟研究。研究结果表明：纳米机械加工过程中,DPS样品的变形主要是通过单链的整体运动和单链上苯基排列方向的改变而实现的。DPS单链的运动局限在微探针周围的区域,并且倾向于运动到微探针下方的区域,导致加工表面的材料堆积较少。切削速度、分子结构以及链长等是影响DPS纳米机械加工过程的主要因素。加工速度较小时,单链自身的变化是DPS样品变形的主要方式,而当加工速递较大时,单链整体的运动是工件变形的主要方式,在较小的加工速度时得到的加工结果较好；无规立构的DPS样品所需的加工力较小,工件内部单链的排列较为紧凑,得到的加工表面质量最好；在链长较短的DPS纳米刻划加工过程中单链容易发生整体运动,单链主C链的结构及苯基排列的变化较小,而当链长较大时,特别是DPS中存在单链交缠时,单链的整体运动较困难,其变形主要是通过主C链的结构变形和苯基的转动实现的,因此其加工表面材料堆积的体积较少。基于上述研究,建立了两种聚合物微球打孔的技术途径,探讨了加工工艺参数对微孔质量的影响规律和聚合物纳米机械加工的机理,获得了具有较高质量的微孔样品,为高品质快点火预压缩锥壳靶的研制奠定了基础。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL632
【图文】：

示意图,激光惯性约束聚变,物理过程,示意图

用力向内压缩微球内的燃料到极高温度和密度，达到上述判据的条件后产生聚变点火并燃烧整个过程主要分四个阶段（见图1.2)。首先祀丸吸收激光（或X光）束能量，在其表面形成等离子体烧烛层（图1.2a);然后祀丸表面物质向外喷射，由于动量守恒使得内部未被烧烛的IE丸在烧烛压的作用下向内运动，使燃料向心压缩（图1.2b):再通过向心聚爆过程，燃料达到高温高密度状态（图L2c);最后燃料发生聚变反应并向外传播，IE丸解体（图1.2d)。3

示意图,快点火,物理过程,示意图

快点火（fast ignition, FI)方案设计。该方案将内爆压缩和点火过程分开进行。首先通过纳秒长脉冲激光将DT燃料压缩到面密度约0.3g/cm2 ~0.5g/cm2 (图1.6a)，然后使用高能拍瓦激光（光强10i9W/cm2以上、脉冲数十皮秒）与勒1相互作用产生强流电子束，这些相对论电子束由相对论临界密度附近输运到被纳秒长脉冲激光内爆压缩后的DT燃料边缘区域，并沉积能量，加热DT芯温度到lOkeV，产生点火热斑（图1.6b),实现点火和自持燃烧（图1.6c)。(a) (b)o(c)图1.6快点火物理过程示意图快点火与中心点火的不同之处在于它将压缩和点火过程分开。压缩的方法与传统的ICF中心点火压缩相近，但快点火压缩需要将燃料压缩到高密度而不是形成点火热斑，因而可以通过控制激光脉冲及优化内爆设计等方法使得DT燃料在内爆压缩过程中升温7

增益计算

再考虑点火所需能量。快点火方式需要具有MeV级能量的超级电子实现点火，度达到10i9W/cin2?102^V/cm2的激光作用于预压缩生成的靴等离子体能产生这样的子。考虑超热电子的产生和传输效率，则有：ED =EJrje^ch 。-8式中，Ed——点火激光束所需能量，J;Eb 点火热斑能量，J;一一超热电子的产生效率；/7ch 超热电子的传输效率。根据粒子束驱动的二维数值模拟给出的点火能量定标关系可以得到：当燃料密度300g/cm3时，点火热斑能量约为18.3kJ[36]。另外实验给出的//e约为0.3。；/ch尚不明确与传输过程中产生的扩束及其在横向上分布的不均匀有关。因此，点火激光所需的能也在数百千焦量级。综合考虑压缩激光与点火激光的能量，快点火方式所需的激光能仍远低于中心点火方式。

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