干凝胶粒子物性对空心玻璃微球炉内成球过程的影响.pdf

第22卷第10期 强 激 光 与 粒 子 束 V01．22，No．10 2010年10月 HIGHPOWERLASERANDPARTICI，EBEAMS 0ct．。2010 文章编号： i001—4322(2010)lO一2303—05 干凝胶粒子物性对空心玻璃微球炉内成球过程的影响。 漆小波， 魏 胜， 张占文， 陈素芬， 李 波 (中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900) 摘 要： 为实现干凝胶法制备惯性约束聚变靶用空心玻璃微球(HGM)炉内成球工艺过程的有效控制， 从数值模拟和工艺实验两个方面研究了干凝胶粒子直径、比热容、发泡剂质量分数和辐射吸收系数对干凝胶粒 子炉内成球过程及最终HGM性能参数的影响。结果表明，随着干凝胶粒子直径和／或比热容的增大，干凝胶 粒子在吸热封装阶段的升温速率显著降低。在炉内成球过程各工艺阶段的停留时间快速下降，尤其是在精炼阶 段的停留时间急剧缩短。降低干凝胶粒子的比热容和／A提高干凝胶粒子的发泡剂质量分数，HGM的直径和 壁厚均匀性增大，高质量空心球的比例也相应提高。干凝胶粒子的辐射吸收系数变化对炉内成球过程几乎没 有影响。 关键词： 空心玻璃微球； 干凝胶法；凝胶粒子物性； 靶制备 文献标志码： A 中图分类号：TL639；TQl71 粗糙度低以及保气性能优异等特点，是应用比较广泛的一种热核燃料容器J屯]。相对于玻璃形成物来自水溶液 液滴的液滴法，玻璃形成物来自干凝胶粒子的干凝胶法需要较少的传质传热量，因此干凝胶法更适于制备大直 径和／或厚壁HGM。更重要的是，干凝胶法还消除了液滴法对玻璃成分选择的限制，不仅可以引入各种能够 增强HGM耐压强度和化学稳定性的金属元素，而且还易于掺杂各种ICF物理实验需要的中高Z诊断元 素口]。但是，采用干凝胶法制备的HGM在其性能一致性、球形度和壁厚均匀性和保气性能提高等方面相对困 难得多n]。干凝胶法制备HGM的炉内成球过程是一个干凝胶粒子的运动及物理化学性质变化、干凝胶粒子 与载气之间的传热传质过程相互影响并耦合在一起的复杂过程，任何参数控制不当均会影响最终HGM的质 量，甚至无法形成HGMEs]。由于干凝胶粒子的成球过程是在高温且密闭不可见的制备炉内进行的，加之粒 子／微球的尺度仅数百“m，显然，对这一过程进行实时观察和在线测量是极其困难的。为此，我们在大量工艺 分解实验以及对中间产物分析研究的基础上，提出了干凝胶粒子炉内成球过程的物理模型，建立了干凝胶法制 备空心玻璃微球炉内成球工艺过程的数学模型[6]。为研究于凝胶粒子特性对炉内成球过程及最终HGM性能 的影响，我们进一步从数值模拟和工艺条件实验两个方面研究干凝胶粒子粒径、比热容、发泡剂质量分数和辐 射吸收系数对其与载气之间质量、热量和动量传递过程的影响关系，以期实现干凝胶粒子特性的优化。 1 实验及参数测量 I．1玻璃配方的设计 玻璃的物理、化学性能取决于其化学成分及结构状态。空心玻璃微球的成分设计就是将各氧化物的种类 和含量根据玻璃粘度、表面张力、强度、对氢同位素渗透速率、化学稳定性等目标参数进行优化，以达到空心玻 璃微球几何、物理和化学性能以及制备工艺条件的最优。根据玻璃成分与性能之间的理论模型【7]，在综合评价 玻璃耐压强度、化学稳定性和对氢同位素渗透性能基础上，优化得到了适合于干凝胶法制备ICF靶用空心玻 璃微球的玻璃配方…。 1．2千凝胶粒子的制备 mL正硅酸乙酯(分析 干凝胶粒子的制备采用溶胶一凝胶法。其工艺路线如下：(1)溶胶前体的制备：将60 纯，上海国药集团化学试剂有限公司生产)、7mI。硼酸三丁酯(分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司生产) *收稿日期：2009—10一26；修订日期：2010—03—04 基金项目：高温商街度等离子俸物理国防科技蘑点实验窒基金项目(9140C6806030908) 作者简介：漆小波(1974一)，男．博上．副研，从事l(1F靶几制备研究；xbqi@caep．ac．cn。 通信作者：张占文(1973一)，男。博士，副研。从