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热梯度法制备低温靶丸的数学模型和有限元传热模型

王金山  
【摘要】: 惯性约束核聚变(ICF)能是未来的新能源,低温靶是ICF理想的靶型。本课题对热梯度法制备低温冷冻靶进行了研究,内容包括工作温度下,靶丸内燃料的气液两相组分组成分析以及混合燃料在靶丸内形成均匀液体(固体)层时所需的远端外加温度梯度大小的模拟计算,并设计了用于验证理论模型的实验设备。 利用靶丸内部的质量守恒,提出了一个靶丸内燃料的气液两相组分组成分析模型,分析了在工作温度下,低温冷冻靶丸内燃料液体层的厚度和充填温度,充填压力等的关系。 为了获得靶丸内壁均匀的液体层,研究建立了混合燃料的自洽数学模型,在假设燃料液体层在靶丸内部均匀分布,靶丸内悬浮在液体燃料中的气泡与靶丸微球处于同心的位置的前提下,通过分析了气泡在这个位置上的受力平衡情况,给出了一个自洽的数学模型用于估算气泡悬浮在与靶丸小球同心位置时,近端温度梯度的大小,运用ANSYS有限元分析软件建立靶丸的传热模型,通过运用理论模型,分析靶丸的传热过程,模拟计算了ICF靶形成均匀的液体层所需的远端温度梯度的值,并将计算值与现有的实验结果进行了比较,结果与国外试验值吻合得较好,说明数学模型可以在制靶时应用。 同时,设计加工了带光学窗口的低温恒温器,其工作温度为10~40K,温度梯度可在0~20K/cm内调节,控温精确度0.2K;建立了全息干涉条纹计算机实时记录系统。为下一步研究制靶提供了理论和设计依据。


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