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，本发明专利技术具有结构简单、运行可靠、操作方便的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及惯性约束核聚变
，具体涉及。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供，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，本专利技术采取的技术方案为: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；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。本专利技术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。本专利技术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。附图说明图1为本专利技术的转盘机构I的前视剖示图。图2为本专利技术的制靶室8及其内各组件在不进行燃料分层本文档来自技高网...
【技术保护点】
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），其特征在于：转盘机构（1）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）一端连接到充氢管（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。...
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：厉彦忠，郑江，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
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