专利名称:一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层装置及方法
技术领域：
本发明涉及惯性约束核聚变技术领域：
，具体涉及一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层装置及方法。
背景技术：
流体磁悬浮技术是指通过施加外磁场，在目标流体各质点上基本实现磁场力与重力的抵消，再利用流体内微弱的分子内聚力使流体微团达到悬浮效果。人工磁场产生的磁加速度一般随空间位置变化，而重力加速度可视为空间均匀，因此磁场力无法在物体的每个质点上完全抵消重力，需通过磁场力、重力和分子内聚力等的共同作用实现磁悬浮。固体的分子内聚力大，故本身有一定的强度，可维持固定的形状，因此即便固体的各质点受到的外力很不均匀，也能在分子内聚力的作用下达到整体上的受力平衡，以实现悬浮。流体的分子内聚力远小于固体，只有各质点所受外力差异很小时才能维持流体微团的形状，所以相较于固体磁悬浮技术，流体磁悬浮技术需要在特定区域内产生均匀性更好的磁加速度。磁加速度与流体的比磁化率成正比，氢及其同位素的比磁化率基本相同，约为-2.5X IO^m3/kg (负号表示逆磁性)，当外加磁场的磁感应强度与磁感应强度梯度的乘积为1000T2/m时，磁场力与重力大小相等。随着近十年来铌钛线圈制造技术的发展，已经有能力获得用来实现液氢及其同位素磁悬浮所需的较均匀强磁场。
从上世纪六十年代开始，包括中国在内的一些国家开始了惯性约束核聚变的研究，近年来，美国国家点火装置进行的几次成功的打靶实验标志着该领域已取得重大突破，英国正在筹备建造惯性约束核聚变发电站。燃料分层是惯性约束核聚变靶制备的关键环节，通常需要在直径1_2_的球形靶丸的内壁面上形成厚度不足0.1mm的非常均匀的液体或固体燃料(由氘原子和氚原子构成的多种分子的混合物)层。惯性约束核聚变使用的靶丸有三种类型:中心点火靶、体点火靶和快点火靶，其中快点火靶具有低压缩对称性要求、低驱动能量和高增益的优点，最 适合用于惯性约束核聚变发电站。三种靶型中只有快点火靶的结构是非球对称的，所以β分层、红外辅助分层等传统的分层技术对其难以奏效。现有的快点火靶燃料分层技术，是在靶丸内壁面上布置一层均匀的多孔纳米泡沫材料用作燃料支架，然后利用泡沫材料内微小孔隙的毛细作用吸附液体燃料，从而避免了燃料沉积于靶丸下部，最终在靶丸内壁面上形成均匀的液体燃料层。泡沫材料中各微孔的半径要尽量大，以避免对燃料点火产生干扰，这就限制了泡沫材料的吸附能力和强度。因此对大直径厚燃料层的快点火靶实施燃料分层时，液体燃料本身的重量会超过泡沫材料的支撑能力，导致泡沫材料支架变形，影响燃料层的均匀性。目前研究人员仍未制造出理想的低密度高强度多孔纳米泡沫材料，故相较于其他靶型，快点火靶的尺寸偏小，燃料充灌量偏少，使用范围受限。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层装置及方法，利用流体磁悬浮技术基本抵消液体燃料的重力，使泡沫材料的强度不再成为燃料分层的制约因素，从而满足大直径厚燃料层的快点火靶燃料分层的需求。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案为:
一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层装置，包括转盘机构I，转盘机构I由驱动轴31、转盘29和制靶室8构成,驱动轴31平行于地面,转盘29固定在驱动轴31上,转盘29的盘面与驱动轴31的中轴线垂直，转盘29的盘面上沿径向开槽，安装制靶室8，制靶室8外形呈立方体，其横截面呈正方形，其纵截面的对称轴沿转盘29的径向。
不进行燃料分层时，导轨9固定在制靶室8中，滑块11与导轨9通过滑动轴承连接，滑块11的内侧布置换热器10，靶座12固定在滑块11的外侧，靶座12与滑块11的接触面夹铟填料23，靶座12上固定防辐射罩21，防辐射罩21端部开有玻璃观察窗15，夹持臂14贯穿靶座12，一端固定到滑块11，另一端与支撑杆19连接，支撑杆19通过胶粘剂粘接到到靶丸18的金锥壳24，金锥壳24的对称轴与两个玻璃观察窗的连线垂直，充氢管6的一端连接到支撑杆19内的毛细管25，另一端通过充氢三通阀3连接到液氢容器2，液氢容器2固定在制靶室8中，毛细管25 —端连接到充氢管6，另一端连接到靶丸18的靶壳26，充氦管7的一端伸入防辐射罩21内，另一端通过充氦三通阀5连接到气氦容器4，气氦容器4固定在制靶室8中。
进行燃料分层时，滑块11处于导轨9的末端,防福射罩21位于磁体系统30的中部空腔内，充氢管6和充氦管7伸展；防辐射罩21、玻璃观察窗15、滑块11、换热器10、铟填料23、靶座12、夹持臂14、支撑杆19及靶丸18的相对连接关系不变，靶丸18的中心与磁体系统30的光纤20的末端位于同一高度。
所述的磁体系统30，包括光源22、光纤20、摄相机13、液氦槽17和铌钛线圈16，液氦槽17的中部空腔内布有光纤20，光纤20有共有2支:一支的上端部与光源22连接，下端部与铌钛线圈16的4/5高度处对齐；另一支的上端部与或摄像机13连接，下端部与铌钛线圈16的4/5高度处对齐，铌钛线圈16浸没在液氦槽17的液氦中，液氦温度保持在1.8K。
所述的靶丸18由金锥壳24、靶壳26、泡沫材料27和气腔28构成，金锥壳24与靶壳26通过胶粘剂粘接，泡沫材料27衬在靶壳26的内壁面，金锥壳24的尖端伸入气腔28。
一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层方法，包括以下步骤:
I)在燃料分层前，使制靶室8处于左侧的水平位置，在常温常压下装配其内的各组件，然后对制靶室8抽真空至I X IO-3Pa以下，对防辐射罩21抽真空至I X 10_5Pa以下并充入氦气，使氦气的压力保持在20— 200kPa，对靶丸18抽真空至IXlO-5Pa以下，再将防辐射罩21内的各组件冷却至22K ；
2)进行燃料分层时，使制靶室8处于下侧的竖直位置，将防辐射罩21推入液氦槽17的中部空腔并进行密封，对防辐射罩21和液氦槽17之间的空间抽真空至IXlO-4Pa以下；
3)向靶丸18充入氘氚混合燃料至液体部分的体积占靶丸18内容积的1/6—1/5,氣氣混合燃料中各组分的摩尔分数为:氣分子(D2), 25% ;氣氣分子(DT), 50% ;氣分子(T2), 25%，给铌钛线圈16通电，通电瞬间燃料液面发生振荡，然后燃料均匀吸附在泡沫材料27中，利用摄相机13监测靶丸18内燃料层的变化；[0015]4)对燃料降温至17.5K使其固化，再以不大于2X 10_3K/s的速率升温至仅在毛细管25与靶壳26的连接处有固体晶核，然后以1父10_6—1/10_51(/8的速率降温至固体层扩展到靶壳26的内表面，最后将燃料以IX 10_2— 2X lOl/s的速率降温至18.29K并保持温度恒定；
5)完成燃料分层后，将防辐射罩21拉回制靶室8，使制靶室8处于右侧的水平位置。
本发明的快点火靶燃料分层装置及方法，通过对液体燃料施加符合条件的较均匀强磁场，基本抵消其所受重力，同时利用多孔纳米泡沫材料的毛细力和燃料的分子内聚力，使液体燃料均匀吸附在靶丸内的泡沫材料层，然后对其降温固化，完成燃料分层。所以泡沫材料支架对燃料的支撑能力不再成为燃料分层的制约因素，采用现有的泡沫材料即可满足大直径厚燃料层的快点火靶燃料分层的需求，进而拓展了快点火靶的使用范围。本发明的燃料分层装置应用了现今成熟的流体磁悬浮技术，便于对原有装置做改造，具有结构简单、运行可靠、操作方便的优点。
图1为本发明的转盘机构I的前视剖示图。
图2为本发明的制靶室8及其内各组件在不进行燃料分层时的连接示意图。
图3为本发明的靶丸18的右视剖示图。
图4为本发明的制靶室8及其内各组件在进行燃料分层时的连接示意图。
图5为本发明的燃料分层装置在燃料分层时的各部分连接示意图。
图6为本发明的磁体系统30的前视剖示图。
图7为本发明的燃料分层装置在燃料分层前的各部分连接示意图。
图8为本发明的燃料分层装置在燃料分层后的各部分连接示意图。
图9为本发明的转盘机构I的另一个实施例的前视剖示图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层装置，包括转盘机构1，转盘机构I由驱动轴31、转盘29和制靶室8构成,驱动轴31平行于地面,转盘29固定在驱动轴31上,转盘29的盘面与驱动轴31的中轴线垂直,利用驱动轴31可使转盘29在竖直面内逆时针转动，转盘29的盘面上沿径向开槽，安装制靶室8，制靶室8外形呈立方体，其横截面呈正方形，其纵截面的对称轴沿转盘29的径向；当制靶室8处于驱动轴31左侧的水平位置时，装填靶丸18 ;当制靶室8处于驱动轴31下侧的竖直位置时，对靶丸18进行燃料分层；当制靶室8处于驱动轴31右侧的水平位置时，将靶丸18点火或贮存。
参照图2和图3，不进行燃料分层时，导轨9固定在制靶室8中，滑块11与导轨9通过滑动轴承连接，导轨9的间距能够自动作微调，以适应滑块11热胀冷缩引起的尺寸变化，导轨9在与滑块11接触的部位衬有轴承材料锡青铜。滑块11由高导无氧铜制成，在低温区导热性能良好。滑块11的内侧布置换热器10，换热器10与外部氦制冷系统连接，通过电脑程序对换热器10内的氦气温度和流量进行调节，精确控制滑块11及与其连接的各组件的温度。靶座12通过螺栓联接固定在滑块11的外侧，靶座12与滑块11的接触面夹铟填料23。铟填料23质软，具有密封作用，并可显著减小接触热阻。靶座12上固定防辐射罩21,防福射罩21是一封闭容器，内外表面均抛光，可有效减少其内部各组件与外界环境的辐射换热。防辐射罩21端部开有玻璃观察窗15，以便在燃料分层时实时监测燃料层的变化，玻璃观察窗15共有2个，相对布置。夹持臂14贯穿靶座12，一端固定到滑块11，另一端与支撑杆19连接，夹持臂14可在电脑操控下实现六自由度动作。支撑杆19通过胶粘剂粘接到到靶丸18的金锥壳24。金锥壳24的对称轴与两个玻璃观察窗的连线垂直，以避免金锥壳24产生遮挡。充氢管6的一端连接到支撑杆19内的毛细管25，另一端通过充氢三通阀3连接到液氢容器2。充氢三通阀3是三通阀，可用于控制燃料充灌，也可用于对靶丸18抽真空。液氢容器2固定在制靶室8中，其内储有液态的氘氚混合燃料。毛细管25一端连接到充氢管6，另一端连接到靶丸18的靶壳26。毛细管外径10 μ m，内径5 μ m，靶壳26上加工直径10 μ m、深约40 μ m的沉孔与毛细管25配合，并用胶粘剂粘接。充氦管7的一端伸入防辐射罩21内，另一端通过充氦三通阀5连接到气氦容器4，气氦容器4固定在制靶室8中。充氦三通阀5是三通阀，可用于控制氦气充注，也可用于对防辐射罩21抽真空。气氦容器4固定在制靶室8中，其内储有氦气，用作低温换热工质。
参照图3，所述的靶丸18由金锥壳24、靶壳26、泡沫材料27和气腔28构成，金锥壳24的材料为纯金，与靶壳26通过胶粘剂粘接。靶壳26的材料为聚乙烯，能透过X光和可见光。靶壳26与毛细管25连接处通过沉配合，并打直径5 μ m的微孔与泡沫材料27连通。泡沫材料27衬在靶壳26的内壁面，泡沫材料27为低密度的二氧化硅纳米泡沫。金锥壳24的尖端伸入气腔28。充注燃料时液态燃料的大部分吸附在泡沫材料27中，剩余部分挥发进入气腔28，故气腔28内充满气态燃料。
参照图4和图5，进行燃料分层时，滑块11处于导轨9的末端，防辐射罩21位于磁体系统30的中部空腔内，充氢管6和充氦管7伸展。防福射罩21、玻璃观察窗15、滑块11、换热器10、铟填料23、靶座12、夹持臂14、支撑杆19及靶丸18的相对连接关系不变。靶丸18的中心与磁体系统30的光纤20的末端位于同一高度，以便对燃料层实时监测。
参照图6，所述的磁体系统30，包括液氦槽17、光纤20、光源22、摄相机13和铌钛线圈16。液氦槽17的轴截面呈U形，其内部空间储有液氦，下侧及四周连通，中部空腔可容纳防辐射罩21及光纤20。光纤20有共有2支:一支的上端部与光源22连接，下端部与铌钛线圈16的4/5高度处对齐；另一支的上端部与或摄像机13连接，下端部与铌钛线圈16的4/5高度处对齐。光源22为摄像机13的X光成像提供光源，以监测靶丸18中的燃料层。铌钛线圈16浸没在液氦槽17的液氦中，液氦温度保持在1.8K。铌钛线圈16产生磁场的磁感应强度与磁感应强度梯度的乘积在线圈中轴线的上侧靠近边缘处，即铌钛线圈16的4/5高度处时达到最大，且对氘氚混合燃料而言磁加速度竖直向上，故将靶丸18置于对应位置。
参照图9，本发明的转盘机构I的另一个实施例，在转盘29的盘面上，除制靶室8夕卜，再布置三个与制靶室8结构完全相同的制靶室，相邻两制靶室垂直。此结构便于装填靶丸过程与燃料分层过程同时进行，可提高工作效率。
本发明还提供一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层方法，具体通过如下步骤实现:[0035]I)参照图2和图7，在燃料分层前，转动转盘机构I，使制靶室8处于左侧的水平位置，在常温常压下装配其内的各组件，然后对制靶室8抽真空至I X IO-3Pa以下，通过充氦三通阀5对防辐射罩21抽真空至IX 10_5Pa以下并充入50kPa的氦气作为制冷工质，对靶丸18抽真空至I X ICT5Pa以下，为下一阶段的燃料充灌做准备，开启换热器10将防辐射罩21内的各组件冷却到22K;
2)参照图4、图5和图6，进行燃料分层时，转动转盘机构1，使制靶室8处于下侧的竖直位置，打开制靶室8，利用滑块11将防辐射罩21推入液氦槽17的中部空腔。对防辐射罩21与液氦槽17上侧连接的部位进行密封，对液氦槽17的中部空腔抽真空至I X 10_4Pa以下，以实现闻真空隔热；
3)参照图3、图4、图5和图6，通过充氢管6向靶丸18充入氘氚混合燃料至液体部分的体积占靶丸18内容积的1/6 —1/5，氘氚混合燃料中各组分的摩尔分数为:氘分子(D2), 25% ;氘氚分子(DT)，50% ;氚分子(T2)，25%。给浸在液氦槽17中的铌钛线圈16通电，保持铌钛线圈16始终浸没在液面以下，通电瞬间，液体燃料受力改变，液面开始振荡，经过一段时间后稳定，燃料便均匀吸附在泡沫材料27中，同时利用摄相机13监测燃料充灌过程中靶丸18内燃料层的变化；
4)参照图3和图4，利用换热器10精确控制靶丸18的温度，使燃料冷冻至17.5K，再以不大于2X 10_3K/s的速率升温至仅在毛细管25与靶壳26的连接处有固体晶核，然后以lX10_5K/s的速率降温至19.54K，此时固体层扩展到靶壳26的内表面，最后将燃料以
2X IO-Vs的速率降温至18.29K并保持温度恒定，则使靶丸18内的燃料层达到打靶要求。同时对燃料的整个相变过程进行监测；
5)参照图4、图5、图6和图8，解除防辐射罩21与液氦槽17上侧连接部位的密封，使液氦槽17的中部空腔恢复常压，利用滑块11将防辐射罩21拉回制靶室8，再将制靶室8密封并抽真空。转盘机构I逆时针转90度角，使制靶室8处于右侧的水平位置，可将制靶室8中的靶丸18点火或送入贮存室。
图中:1为转盘机构；2为液氢容器；3为充氢三通阀；4为气氦容器；5为充氦三通阀；6为充氢管；7为充氦管；8为制靶室；9为导轨；10为换热器；11为滑块；12为靶座；13为摄像机；14为夹持臂；15为玻璃观察窗；16为铌钛线圈；17为液氦槽；18为靶丸；19为支撑杆；20为光纤；21为防辐射罩；22为光源；23为铟填料；24为金锥壳；25为毛细管；26为靶壳；27为泡沫材料；28为气腔；29为转盘；30为磁体系统；31为驱动轴。
权利要求
1.一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层装置，包括转盘机构(I)，其特征在于 转盘机构(I)由驱动轴(31)、转盘(29 )和制靶室(8 )构成，驱动轴(31)平行于地面，转盘(29 )固定在驱动轴(31)上，转盘(29)的盘面与驱动轴(31)的中轴线垂直,转盘(29)的盘面上沿径向开槽，安装制靶室(8)，制靶室(8)外形呈立方体，其横截面呈正方形，其纵截面的对称轴沿转盘(29)的径向； 不进行燃料分层时，导轨(9)固定在制靶室(8)中，滑块(11)与导轨(9)通过滑动轴承连接，滑块(11)的内侧布置换热器(10 )，靶座(12 )固定在滑块(11)的外侧，靶座(12 )与滑块(11)的接触面夹铟填料(23 )，靶座(12 )上固定防辐射罩(21)，防辐射罩(21)端部开有玻璃观察窗(15)，夹持臂(14)贯穿靶座(12)，一端固定到滑块(11)，另一端与支撑杆(19)连接，支撑杆(19)通过胶粘剂粘接到到靶丸(18)的金锥壳(24)，金锥壳(24)的对称轴与两个玻璃观察窗的连线垂直，充氢管(6)的一端连接到支撑杆(19)内的毛细管(25)，另一端通过充氢三通阀(3)连接到液氢容器(2)，液氢容器(2)固定在制靶室(8)中，毛细管(25) —端连接到充氢管(6)，另一端连接到靶丸(18)的靶壳(26)，充氦管(7)的一端伸入防辐射罩(21)内，另一端通过充氦三通阀(5)连接到气氦容器(4)，气氦容器(4)固定在制靶室(8)中； 进行燃料分层时，滑块(11)处于导轨(9)的末端，防辐射罩(21)位于磁体系统(30)的中部空腔内，充氢管(6)和充氦管(7)伸展，防辐射罩(21)、玻璃观察窗(15)、滑块(11)、换热器(10)、铟填料(23)、靶座(12)、夹持臂(14)、支撑杆(19)及靶丸(18)的相对连接关系不变，靶丸(18)的中心与磁体系统(30)的光纤(20)的末端位于同一高度。
2.根据权利要求
1所述的一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层装置，其特征在于:所述的磁体系统(30)，包括光源(22)、光纤(20)、摄相机(13)、液氦槽(17)和铌钛线圈(16),液氦槽(17)的中部空腔内布有光纤(20),光纤(20)有共有2支:一支的上端部与光源(22)连接，下端部与铌钛线圈(16)的4/5高度处对齐；另一支的上端部与或摄像机(13)连接，下端部与铌钛线圈( 16)的4/5高度处对齐，铌钛线圈(16)浸没在液氦槽(17)的液氦中，液氦温度保持在1.8K。
3.根据权利要求
1所述的一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层装置，其特征在于:所述的靶丸(18)由金锥壳(24)、靶壳26、泡沫材料(27)和气腔(28)构成，金锥壳(24)与靶壳(26)通过胶粘剂粘接，泡沫材料(27)衬在靶壳(26)的内壁面，金锥壳(24)的尖端伸入气腔(28)。
4.根据权利要求
1所述的一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层装置，其特征在于:在转盘(29)的盘面上，除制靶室(8)外，再布置三个与制靶室(8)结构完全相同的制靶室，相邻两制靶室垂直，此结构便于装填靶丸过程与燃料分层过程同时进行。
5.根据权利要求
1所述的一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层装置，其特征在于:分层方法包括以下步骤: 1)在燃料分层前，使制靶室(8)处于左侧的水平位置，在常温常压下装配其内的各组件，然后对制靶室(8)抽真空至I X10_3Pa以下，对防辐射罩(21)抽真空至I X10_5Pa以下并充入氦气，使氦气的压力保持在20— 200kPa，对靶丸(18)抽真空至lX10_5Pa以下，再将防辐射罩(21)内的各组件冷却至22K ； 2)进行燃料分层时，使制靶室(8)处于下侧的竖直位置，将防辐射罩(21)推入液氦槽(17)的中部空腔并进行密封，对防辐射罩(21)和液氦槽(17)之间的空间抽真空至IXlCT4Pa 以下； 3)向靶丸(18)充入氘氚混合燃料至液体部分的体积占靶丸(18)内容积的1/6—1/5，氘氚混合燃料中各组分的摩尔分数为:氘分子(D2), 25% ;氘氚分子(DT)，50% ;氚分子(T2), 25%，给铌钛线圈(16)通电，通电瞬间燃料液面发生振荡，然后燃料均匀吸附在泡沫材料(27)中，利用摄相机(13)监测靶丸(18)内燃料层的变化； 4)对燃料降温至17.5K使其固化，再以不大于2X 10_3K/s的速率升温至仅在毛细管 (25)与靶壳(26)的连接处有固体晶核，然后以1X10_6—1X10_5K/S的速率降温至固体层扩展到靶壳(26)的内表面，最后将燃料以1X10—2—ZXlOl/s的速率降温至18.29K并保持温度恒定； 5)完成燃料分层后，将防辐射罩(21)拉回制靶室(8)，使制靶室(8)处于右侧的水平位置。
专利摘要
一种基于流体磁悬浮的快点火靶燃料分层装置及方法，装置包括转盘机构，转盘机构由驱动轴、转盘和制靶室构成，转盘固定在驱动轴上，转盘的盘面上沿径向开槽，安装制靶室，导轨固定在制靶室中，滑块两侧置换热器和靶座，靶座上固定防辐射罩，夹持臂一端固定到滑块，另一端与支撑杆连接，支撑杆粘接到到靶丸的金锥壳，充氢管连通毛细管和液氢容器，充氦管连通防辐射罩和气氦容器，进行燃料分层时，滑块处于导轨的末端，方法是利用流体磁悬浮技术基本抵消液体燃料的重力，使泡沫材料的强度不再成为燃料分层的制约因素，从而满足大直径厚燃料层的快点火靶燃料分层的需求，本发明具有结构简单、运行可靠、操作方便的优点。
文档编号G21B1/03GKCN103093835SQ201310029980
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月25日
发明者厉彦忠, 郑江 申请人:西安交通大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan