微管可控充气技术研究

余铭铭，李海容，夏立东，陈绍华，陈晓华，尹 剑，温成伟，王伟伟，张小安，周晓松

(中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900)

目前惯性约束聚变(ICF)靶丸燃料注入主要采用两种方式：高压渗透式和直接注入式。高压渗透式充气是利用球壳材料对氢同位素气体良好的渗透性能在常温或高温下以及高压环境(约150 MPa)中扩散进入靶球[1]，实现燃料的注入。直接注入式通常采用内径5～10 μm充气微管在低温(约20 K)下将燃料以液态形式直接注入靶球内，这种方法也称为微管充气法。该方法具有充气时间短、充气压力低、氚操作量小、安全性高[2]等优点，因而在ICF制靶领域备受关注。

微管充气法通常采用压力梯度法[3]和温度梯度法两种方式控制燃料注入量和注入速率。压力梯度法通过控制气源端和靶球端压力差，将燃料液化后注入靶球内。随着燃料的液化和注入，充气管道内压力梯度将下降，为了维持燃料液化、流动所需的压力梯度，必须不断补充气体，因此难以实现燃料的精确计量和注入。

本工作采用基于靶室和燃料室温度控制的温度梯度法对燃料注入速率和注入量进行控制，实现燃料的可控注入。并通过调整燃料室和靶室温度，研究温度梯度对靶丸内燃料注入量的影响规律。

1 实验

1.1 实验装置

温度梯度充气法与压力梯度充气法的不同之处在于，前者在充气管路中增加一燃料室，体积为1.3 mL，燃料室和靶室分别与冷源耦合，结构如图1所示。

图1 微管充气单元装配示意图(a)及实物图(b)

燃料室布置两根管路，其中一根管路采用外径3.2 mm铜管，与系统充氘管路连接；另一根管路采用外径1.5 mm铜管与靶球充气管连接。靶室布置两个通道，一个通道用于装靶，另一个通道用于靶室充氦以加强靶球与靶室内壁换热。

1.2 实验条件

充气前在常温下将一定量的燃料气体注入燃料室内，并关闭气源阀门，使燃料室、管路和靶球形成封闭体系。充入燃料室的燃料量可根据燃料室体积、靶球内径(800 μm)、目标冰层厚度(400 μm)、气液平衡压计算得出。由于靶球体积、燃料室与靶球之间管路体积之和仅为燃料室体积的5%，因此可忽略充气管内和靶球内的燃料气体，仅考虑靶丸内氘冰和充气前后燃料室内气体量。燃料在常温下注入燃料室后，由于气体压力不高，可根据理想气体状态方程计算出燃料的初始注入量；根据冰层体积和冰层密度可计算出靶球内注入的燃料量(V/ρ)；根据充气结束时燃料室温度以及靶球所处温度的氘平衡压，可查得氘在此条件下的压缩系数Z=pV/RT≈1[4]，因此通过理想气体状态方程结合燃料室体积可计算出燃料室内剩余燃料量。根据充气前后物料平衡可得：

(1)

式中：pf为燃料室内初始氘气压力，MPa；Tf为燃料室内初始氘气温度，300 K；Vre为燃料室体积，1.3 mL；Vl为靶球内氘冰体积，0.27 μL；ρs为三相点附近氘冰密度，20.44 mL/mol[5]；pr为燃料室内最终氘气压力，2.40×104Pa[4]；Tr为燃料室内最终氘气温度，75 K。

根据式(1)可算出燃料室中初始充气压力为：

(2)

根据计算结果，于常温下向燃料室内注入0.13 MPa氘气，关闭气源阀门，充气过程为：1) 燃料室和靶室温度同时降温至19.5 K；2) 保持靶球恒温，加热燃料室至70 K；3) 燃料室在70 K保持恒温；4) 将靶球快速降温至三相点下1.5 K封堵充气管。

靶室和燃料室温度降至30 K后开启背光成像检测装置，获取靶球及充气管末端图像。

2 结果与分析

2.1 初始充气压力对燃料注入过程的影响

由于初始燃料注入压力采用燃料室体积(1.3 mL)通过式(1)计算得出，系统中存在管路、接头等死体积(2.3 mL)，此外常温压力测量部分体积为5.3 mL，导致燃料实际注入量大于理论注入量。

根据理论计算值可知需向燃料室中充入氘气0.13 MPa，当温度降至19.5 K时，氘气压力为8.5 kPa，而此温度下氘气饱和蒸汽压为24 kPa，因此靶室和燃料室内不会出现液氘，即燃料不会注入。实验中，靶室温度降至19.5 K时，氘气压力为32 kPa，靶球充气管内出现液氘，并注入靶球内，说明燃料室内初始燃料注入过量。靶室和燃料室一旦出现液氘，在燃料室升温过程中，将发生相变，压力变化速率增大，难以实现可控注入。

为了实现燃料的可控注入，需降低燃料初始注入量，即降低充气压力。避免燃料室和靶室温度降至19.5 K时，由于氘气压力高于饱和蒸汽压而出现液氘。为了降低系统死体积对充气过程的影响，以理论计算值为基准降低初始充气压力，不同初始压力的氘气在降温过程中的压力变化曲线如图2所示。

图2 氘气压力随燃料室温度的变化

由图2可知，当氘气降至相同温度时，其压力随初始压力的降低而降低。当初始压力为86 kPa、温度降至19.5 K时，氘气压力为23 kPa，低于饱和蒸汽压，满足充气条件；当初始压力为59 kPa、温度降至19.5 K时，氘气压力为18 kPa，由于受系统死体积影响，当燃料室加热至75 K时，氘气压力也无法达到饱和蒸汽压，即初始气体压力太低，无法将氘气液化。因此在本实验装置上，向燃料室内注入满足实验要求的氘气初始压力为86 kPa。

2.2 靶室温度对注入过程的影响

由式(2)可知，燃料注入量与靶室温度密切相关，因为靶室温度决定氘气液化温度，氘气液化温度决定液化时的气体压力，而气体压力直接由燃料室温度决定。因此研究了相同条件下靶室温度对燃料注入过程的影响。燃料开始以液态注入时和注满时对应的燃料室温度随靶室温度的变化如图3所示。

图3 燃料室温度随靶室温度的变化

由图3可知，随靶室温度的升高，燃料注入时和注满时对应的燃料室温度均升高，同时开始注入时和注满时对应的燃料室温差也逐渐增大；当靶室温度升至20.5 K和21.0 K时，燃料室温度升至45 K，未观察到燃料的液化以及注入。说明靶室温度显著影响燃料的注入过程，靶室温度越低，氘气液化压力越低，液氘开始注入及注满时相应燃料室温度越低，相同升温速率下，氘气液化越快，即注入越快；靶室温度越高，液氘开始注入时和注满时相应燃料室温度越高，氘气液化越困难。

靶室温度过低，氘气液化较快，燃料注入难以控制；靶室温度过高，燃料难以液化。在本实验条件下，燃料注入时靶室控温至19.5 K较适宜。

2.3 燃料室温度对注入过程的影响

当靶室温度和燃料室温度降至19.5 K时，此时氘气压力为23 kPa，低于饱和蒸汽压，未出现液氘。靶室恒温，且以0.5 K/min加热燃料室至19.8 K时，气体压力升高达到饱和蒸气压，在靶室与充气管接触处出现液氘，随着温度进一步升高，压力继续增大，在压力梯度的推动下将燃料注入靶球内；当燃料室温度升至27.0 K时，靶球注满。注入过程背光成像照片如图4所示。

图4 燃料注入过程背光成像照片

通过式(1)可得冰层体积为：

(3)

由几何关系可得冰层体积为：

(4)

式中：rc为靶球内半径；Lthk为冰层厚度。联立式(3)和(4)可得：

(5)

根据式(5)可获得充气过程中燃料注入量(等效冰层厚度)随燃料室温度的变化关系(图5)。

由图5可知，当靶室温度恒定时，燃料注入量与燃料室温度存在一一对应关系，即通过控制燃料室温度可准确控制燃料注入量。实验证明，在充气过程中，当燃料室加热至某温度且恒温时，燃料停止注入，气体压力先升高后降低，最后稳定于24 kPa，即靶球所处温度下的饱和蒸汽压。

图5 燃料注入量随温度的变化

3 结论

采用基于燃料室和靶室独立控温的温度梯度法实现了燃料的可控注入，并研究了燃料初始注入量、靶室温度和燃料室温度对燃料注入过程的影响。结果表明：

1) 受系统死体积影响，为防止氘气在燃料室内液化需降低初始充气压力，当氘气压力由理论计算值降至86 kPa时，温度降至19.5 K，氘气压力恰好低于饱和蒸汽压，有利于控制燃料注入。

2) 靶室温度过低，氘气液化较快，燃料注入难以控制；靶室温度过高，燃料难以液化。本实验条件下，燃料注入时靶室控温至19.5 K较适宜。

3) 靶室恒温后，燃料注入量与燃料室温度存在一一对应关系，燃料室温度直接决定燃料注入量，因此采用该方法可提高燃料注入精度。

参考文献：

[1] SANGSTER T C, BETTI R, CRAXTON R S. Cryogenic DT and D2targets for inertial confinement fusion[J]. Physics of Plasmas, 2007, 14: 058101.1-058101.10.

[2] SANCHEZ J J. Conceptual design of low pressure, 300 K fill system for ignition target capsules with micron size fill tubes,UCRL-TR-155608[R]. Livermore, CA: LLNL, 2003.

[3] 谢端,毕鹏,王凯,等. 红外光热效应在球形冷冻靶燃料冰层均化中的应用[J]. 强激光与粒子束,2013,25(S0):77-80.

XIE Duan, BI Peng, WANG Kai, et al. Application of thermal effect of infrared light to forming uniform DD layers in spherical cryotarget[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2013, 25(S0): 77-80(in Chinese).

[4] 陈国邦，包锐，黄永华. 低温工程技术数据[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

[5] MARTIN M, GAUVIN C, CHOUX A, et al. The cryogenic target for ignition on the LMJ: Useful tools to achieve nominal temperature and roughness conditions of the DT solid layer[J]. Fusion Sci Technol, 2006, 49: 600-607.