干凝膠粒子物性對(duì)空心玻璃微球爐內(nèi)成球過程的影響?yīng)?/h1>

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1、第２２卷第１０期強(qiáng)激光與粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１０２０１０年１０月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＯｃｔ．，２０１０文章編號(hào)：１００１４３２２（２０１０）１０２３０３０５干凝膠粒子物性對(duì)空心玻璃微球爐內(nèi)成球過程的影響?yīng)称嵝〔ǎ簞?，張占文，陳素芬，李波（中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽６２１９００）摘要：為實(shí)現(xiàn)干凝膠法制備慣性約束聚變靶用空心玻璃微球（ＨＧＭ）爐內(nèi)成球工藝過程的有效控制，從數(shù)值模擬和工藝實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究了干凝膠粒子直徑、比熱容、發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和輻射吸收系數(shù)對(duì)干凝膠粒子爐內(nèi)成球過程及最終Ｈ

2、ＧＭ性能參數(shù)的影響。結(jié)果表明，隨著干凝膠粒子直徑和／或比熱容的增大，干凝膠粒子在吸熱封裝階段的升溫速率顯著降低，在爐內(nèi)成球過程各工藝階段的停留時(shí)間快速下降，尤其是在精煉階段的停留時(shí)間急劇縮短。降低干凝膠粒子的比熱容和／或提高干凝膠粒子的發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ＨＧＭ的直徑和壁厚均勻性增大，高質(zhì)量空心球的比例也相應(yīng)提高。干凝膠粒子的輻射吸收系數(shù)變化對(duì)爐內(nèi)成球過程幾乎沒有影響。關(guān)鍵詞：空心玻璃微球；干凝膠法；凝膠粒子物性；靶制備中圖分類號(hào)：ＴＬ６３９；ＴＱ１７１文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２１０．２３０３在激光慣性約束聚變（ＩＣＦ）物

3、理實(shí)驗(yàn)中，空心玻璃微球（ＨＧＭ）因耐壓強(qiáng)度高、球形度好、壁厚均勻、表面［１２］粗糙度低以及保氣性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是應(yīng)用比較廣泛的一種熱核燃料容器。相對(duì)于玻璃形成物來自水溶液液滴的液滴法，玻璃形成物來自干凝膠粒子的干凝膠法需要較少的傳質(zhì)傳熱量，因此干凝膠法更適于制備大直徑和／或厚壁ＨＧＭ。更重要的是，干凝膠法還消除了液滴法對(duì)玻璃成分選擇的限制，不僅可以引入各種能夠增強(qiáng)ＨＧＭ耐壓強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性的金屬元素，而且還易于摻雜各種ＩＣＦ物理實(shí)驗(yàn)需要的中高犣診斷元［３］素。但是，采用干凝膠法制備的ＨＧＭ在其性能一致性、球形度和壁厚均勻性和保氣性能提高等方面相對(duì)困［

4、４］難得多。干凝膠法制備ＨＧＭ的爐內(nèi)成球過程是一個(gè)干凝膠粒子的運(yùn)動(dòng)及物理化學(xué)性質(zhì)變化、干凝膠粒子與載氣之間的傳熱傳質(zhì)過程相互影響并耦合在一起的復(fù)雜過程，任何參數(shù)控制不當(dāng)均會(huì)影響最終ＨＧＭ的質(zhì)［５］量，甚至無法形成ＨＧＭ。由于干凝膠粒子的成球過程是在高溫且密閉不可見的制備爐內(nèi)進(jìn)行的，加之粒子／微球的尺度僅數(shù)百，顯然，對(duì)這一過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和在線測(cè)量是極其困難的。為此，我們?cè)诖罅抗に嚘蹋矸纸鈱?shí)驗(yàn)以及對(duì)中間產(chǎn)物分析研究的基礎(chǔ)上，提出了干凝膠粒子爐內(nèi)成球過程的物理模型，建立了干凝膠法制［６］備空心玻璃微球爐內(nèi)成球工藝過程的數(shù)學(xué)模型。為研究干凝膠粒子特性對(duì)爐內(nèi)成

5、球過程及最終ＨＧＭ性能的影響，我們進(jìn)一步從數(shù)值模擬和工藝條件實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究干凝膠粒子粒徑、比熱容、發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和輻射吸收系數(shù)對(duì)其與載氣之間質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞過程的影響關(guān)系，以期實(shí)現(xiàn)干凝膠粒子特性的優(yōu)化。１實(shí)驗(yàn)及參數(shù)測(cè)量１．１玻璃配方的設(shè)計(jì)玻璃的物理、化學(xué)性能取決于其化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)狀態(tài)?？招牟Ａ⑶虻某煞衷O(shè)計(jì)就是將各氧化物的種類和含量根據(jù)玻璃粘度、表面張力、強(qiáng)度、對(duì)氫同位素滲透速率、化學(xué)穩(wěn)定性等目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到空心玻［７］璃微球幾何、物理和化學(xué)性能以及制備工藝條件的最優(yōu)。根據(jù)玻璃成分與性能之間的理論模型，在綜合評(píng)價(jià)玻璃耐壓強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和

6、對(duì)氫同位素滲透性能基礎(chǔ)上，優(yōu)化得到了適合于干凝膠法制備ＩＣＦ靶用空心玻［７］璃微球的玻璃配方。１．２干凝膠粒子的制備干凝膠粒子的制備采用溶膠凝膠法，其工藝路線如下：（１）溶膠前體的制備：將６０ｍＬ正硅酸乙酯（分析純，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)）、７ｍＬ硼酸三丁酯（分析純，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)）收稿日期：２００９１０２６；修訂日期：２０１００３０４基金項(xiàng)目：高溫高密度等離子體物理國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（９１４０Ｃ６８０６０３０９０８）作者簡介：漆小波（１９７４—），男，博士，副研，從事ＩＣＦ靶丸制備研究；ｘｂｑｉ＠ｃａｅ

7、ｐ．ａｃ．ｃｎ。通信作者：張占文（１９７３—），男，博士，副研，從事ＩＣＦ靶丸制備研究；ｂｊｚｚｗ１９７４＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ。２３０４強(qiáng)激光與粒子束第２２卷和３０ｍＬ無水乙醇（分析純，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)）加入固定在ＤＦ１０１Ｂ型集熱式恒溫磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)）上的燒瓶中，在攪拌狀態(tài)下加入亞化學(xué)計(jì)量（７ｍＬ）的去離子水，待攪拌均勻后，用鹽酸調(diào)節(jié)混合液的ｐＨ值至５．５，升溫至６０℃并持續(xù)攪拌６ｈ，得到部分水解的溶膠前體；（２）堿金屬鹽和尿素的水溶液配制：按設(shè)計(jì)的玻璃配方和發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算得到各種堿金屬鹽和尿素的質(zhì)量，

8、稱取相應(yīng)質(zhì)量的堿金屬鹽（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)）和尿素（分析純，天津市科密歐