[发明专利]一种激光惯性聚变包层及其设计方法

说明书

本发明公开一种激光惯性聚变包层及其设计方法，所述包层按照与聚变反应中心距离由近到远分为：钨盔甲、第一壁、氚增殖自冷区、背板；所述设计方法首先建立包层简化径向分区三维模型，再对模型进行中子输运计算得到包层氚增殖率及核热沉积空间分布；结合材料特性进行热工计算，得到包层内温度分布；综合包层氚增殖率和温度分布，采用优化算法确定包层各功能区的径向尺寸合理区间，之后进行精细建模，在区间内优化设计直至满足标准；该聚变包层及其设计方法能在保证精度的基础上，以球型径向分区模型代替传统包层工程设计中完整包层模型，避免了多物理场耦合计算中复杂模型的建立，优化了包层的设计流程，设计出适用于激光惯性约束聚变的包层。

技术领域

本发明涉及激光聚变堆包层设计技术领域，具体涉及一种激光惯性聚变包层及其设计方法。

背景技术

激光聚变包层是激光惯性约束聚变堆的能量转换结构，同时也肩负着氚增殖、包容堆芯和中子屏蔽的功能。在聚变堆运行期间，堆芯处于高温等离子体态，同时发射靶丸碎片、高能中子、多种射线等产物，对包层整体带来极高的瞬时载荷，给包层结构设计带来艰巨挑战。

与发展更好的磁约束聚变包层不同，国内及国际的激光聚变包层设计还处于起步阶段；同时由于没有强磁场，可在氚增殖剂选用制造方便、产氚率和冷却性能更好的液态氚增殖剂，但是液态氚增殖剂对包层结构材料的腐蚀随温度上升不断加强，因此控制氚增殖剂及其与结构材料交界面的温度成为包层设计的关键。

传统磁约束聚变包层设计通常是建立包层的完整模型并进行分析，但是包层整体尺寸一般处于米级，并且包层内涉及流体的结构又极其细微，需要精细的建模；激光惯性约束聚变堆包层的设计一般参考磁约束聚变包层的设计流程，工作极为繁琐艰巨。

发明内容

为解决现有技术找那个激光聚变包层设计存在的问题，本发明的目的是设计了一种适用于激光惯性约束聚变的包层，并提出一种保证设计精度的基础上，避免传统包层工程设计中完整包层复杂模型的建立的设计方法，从而弥补现有激光聚变包层设计工作量巨大的不足。

本发明采取以下技术方案达到上述目的：

一种激光惯性聚变包层，所述激光惯性聚变包层整体上呈球型，被等分经线分割为若干份弧型子包层，每个弧型子包层被等分纬线分割为若干个包层模块，其中一个靠近两极的包层模块空置出作为包层外接设备入口；包层模块各功能区按照与聚变反应中心距离由近到远分为：钨盔甲1、第一壁2、氚增殖自冷区3、背板4，所述钨盔甲1和前端第一壁2由多层低活性铁素体和马素体钢扩散焊接而成，其中每一层钢板皆采用激光刻蚀微流道以保障结构强度，并提高包层冷却剂超临界二氧化碳的冷却效率；所述氚增殖自冷区3采用液态锂铅合金，采用同上述内置激光刻蚀微流道的多层焊接钢板将氚增殖自冷区3分为三个子区域，其中换热效率高的激光刻蚀微流道能充分利用包层冷却剂超临界二氧化碳的冷却能力，有力控制钢板与液态锂铅交界面的温度，降低液态锂铅对包层结构材料的腐蚀，提高包层的整体使用寿命；背板4作为包层最外层结构，直接接触液态锂铅合金的内侧部分采用同上述内置激光刻蚀微流道的多层焊接钢板构成，并内通超临界二氧化碳作为冷却剂带走热量，将背板-液态锂铅合金交界面温度控制在强腐蚀温度阀值之下；背板外侧部分采用低活性铁素体和马素体钢完整构成，以提高包层模块的整体结构强度，同时作为包层外接设备的支撑面。

优选的，呈球型的激光惯性聚变包层被等分经线分割为24份弧型子包层，每个弧型子包层被等分纬线分割为9个包层模块。

所述的激光惯性聚变包层的设计方法，包括如下步骤：

步骤1：建立球型包层三维模型

根据权利要求1中激光惯性聚变包层的结构及具体设计要求，确定球型包层内功能区径向分布及尺寸，并建立相应简化球型三维模型；

步骤2：球型包层中子输运计算