Способ изготовления лайнера для инерциального термоядерного синтеза

 

Использование: в области термоядерных реакторов с использованием пучка частиц. Сущность изобретения: способ изготовления лайнера, выполненного на основе полимерного материала и содержащего излучающее вещество, включает растворение порошка полимера в дистиллированной воде и нагрев раствора до температуры образования студня, из которого после предварительного охлаждения изготавливают лайнер методом намораживания на матрице с последующей вакуумной сушкой при отрицательной температуре. Излучающее вещество вводят в раствор, обеспечивая концентрацию полимерного и излучающего веществ в пределах (0,5 - 2)·10^-3 г/см³ и (1 ^oC 2)·10^-3 г/см³ соответственно. В качестве полимера может использоваться поливиниловый спирт или агар-агар. 7 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к термоядерным реакторам с использованием пучка частиц.

В установках инерциального термоядерного синтеза, основанных, например, на электродинамическом сжатии цилиндрической оболочки или в виде других тел вращения, решающее значение в получении необходимых физических параметров имеет исходная мишень, подвергающаяся сжатию. К ней предъявляется ряд требований: минимально возможная линейная масса; максимально достижимый диаметр при удовлетворительной механической прочности мишени с целью получения высокого коэффициента сжатия; равномерность распределения излучающего вещества в материале мишени.

Известны способы изготовления тонких оболочек для термоядерных мишеней из стекла или полимеров и покрытий на них из разных веществ. Эти способы позволяют изготавливать сферы небольших диаметров (20 мкм 2 мм), либо цилиндры длиной до 2 мм и диаметром до 100 мкм. Например, изготовление тонких (3 5 мкм) цилиндрических мишеней на основе полистирена для лазерных экспериментов [1] с внутренним покрытием из Al и наружным покрытием из Au осуществляется по следующей технологии: изготовление трубки длиной 1,5 см из полистирена на специальной опоре игольчатого типа; нанесение на поверхности трубки слоя металла с помощью магнетронного напылителя; нанесение на полистиреновую трубку слоя парилена; разрезание трубки на нужные длины (2 мм) острым лезвием; погружение мишени в толуол для растворения полистирена. Каждая мишень подвергается контролю толщины нанесенного металлического слоя.

За прототип выбран способ изготовления твердых лайнеров на основе полимерного материала в виде малоплотных мелкоячеистых пен или сеток. В известном способе [2] сердечник мишени, выполненный в виде оболочки из полистирена с тонким никелевым покрытием, опускают в 3%-ный раствор желатины и охлаждают до температуры -30^oС. При этом желатина превращается в лед. Полученное изделие подвергают сублимационной сушке при давлении 10^-3Торр и температуре в вакуумной камере -5^oC для удаления влаги.

Недостатком этого известного способа является техническая сложность процесса и невозможность получения лайнеров малых масс с большими размерами.

Техническим результатом изобретения является уменьшение массы лайнера и возможность увеличения его размеров, а также упрощение технологии изготовления.

Данный результат достигается за счет того, что в известном способе изготовления лайнера для инерционного термоядерного синтеза, при котором готовят водяной студнеобразный раствор на основе полимерного вещества и погружают в него матрицу для намораживания оболочки с последующей вакуумной сушкой, предложено перед погружением матрицы в раствор охлаждать ее, а перед вакуумной сушкой сформированную оболочку отделять от матрицы, при этом изготовление студнеобразного раствора осуществлять с примесью излучающего вещества при соблюдении концентрации полимерного материала и излучающего вещества в растворе в пределах (0,5^oC1)·10^-3 г/см³ и (1^oC2) ·1^-3 г/см³ соответственно. В качестве полимерного материала может быть использован поливиниловый спирт, концентрацию которого в растворе поддерживают в пределах (0,5^oC1)·10^-3 г/см³, или агар-агар с концентрацией в растворе (1-2)·10^-3 г/см³. Вакуумную сушку ведут при минусовой температуре. В качестве матрицы используют цилиндрическую стеклянную трубку. Перед погружением замороженной матрицы в студнеобразный раствор последний охлаждают до комнатной температуры. Излучающее вещество, если оно не имеет подходящей водорастворимой формы, в частности Мо или W, может быть получено из их карбонильных соединений путем подогрева соединения до температуры испарения и улавливания излучающего вещества в дистиллированной воде при пропускании продуктов возгонки карбонильного соединения через пары водяной ванны. Перед намораживанием со стороны одного из торцов матрицы может быть установлено фиксирующее кольцо лайнера.

Суть предлагаемого способа изготовления лайнеров состоит в следующем.

Процесс начинается с приготовления исходного раствора полимера из условия, что концентрация раствора полимера при изготовлении лайнеров способом сублимационной сушки замороженных изделий определяет массу готового лайнера, и чем меньше концентрация полимера, тем меньше погонная масса готового лайнера. С другой стороны, с уменьшением концентрации полимерах ухудшаются прочностные свойства получаемой при сушке полимерной пены. Нами экспериментально установлено, что оптимальная концентрация полимера составляет (0,52) · 10³ г/см³. Поэтому количество (G) полимера, исходя из указанного концентрированного предела (С) и требуемого объема (V) рабочего раствора, которое определяют как C·V= G (например, для С= 1·10^-3 г/cм³ и V=1000 см³, C= 1·10^-3·1000= 1 г). Полученное взвешиванием с точностью до 10^-4 г количество полимера заливают дистиллированной водой в количестве 15-20% от рабочего объема (в указанном примере это 150-200 см³) для растворения полимера. Затем в раствор вводят излучающее вещество (например, CsJ или NaF и т.п.), либо в виде водорастворимого соединения, либо приготовленного из карбонила, количество которого, как установлено экспериментально, по отношению к количеству полимера в зависимости от диаметра готового лайнера составляет от 2:1 (для лайнеров ⊘ ≅ 1 см≅ 1 см) до 1:2 (для лайнеров ⊘ ≥ 1 см≥ 1 см), что соответствует концентрации излучающего вещества в растворе полимера (1-2)·10^-3 г/см³. В реализованных вариантах в качестве полимера используют либо агар-агар с концентрацией в растворе (1^oC2)·10^-3 г/см³, для чего его предварительно растворяют в течение 1,5^oC2,0 ч в воде комнатной температуры, взятой в количестве 15-20% от рабочего объема, а нагревание раствора осуществляют до 100^oС, либо поливиниловый спирт с концентрацией в растворе (0,5-1)·10^-3 г/см³, а нагревание раствора производят до 65-70^oC.

После охлаждения до комнатной температуры студень является исходным рабочим раствором для изготовления изделий. Изготовление лайнеров ведут методом намораживания раствора полимера на предварительно охлажденную до минусовой температуры (-35-40^oC) матрицу. Матрица может быть изготовлена из стекла, алюминиевого сплава, латуни и т.п. с толщиной стенки 0,5 1 мм. При изготовлении цилиндрических лайнеров используют трубку, а при изготовлении лайнеров других тел вращения разъемную форму. Наружный диаметр цилиндрической матрицы должен быть равен диаметру лайнера. В случае изготовления лайнеров диаметром 1 см и более на конце матрицы закрепляют кольцо из проволоки толщиной 80 100 мкм, которое при высушивании лайнера будет способствовать, с одной стороны, цилиндричности лайнера, а с другой стороны, обеспечит равномерное натяжение полимерной основы в условиях эксперимента. Замороженные изделия либо снятые с матрицы, либо снятые с матрицы частично (~ на 2/3 длины замороженного изделия) подвергают сублимационной сушке в вакууме до остаточного давления 0,1 Па. Внутреннюю часть вакуумной камеры при сушке замороженных изделий рекомендуется охлаждать до минусовых температур. Высушенные лайнеры обладают необходимой механической прочностью, что позволяет устанавливать их в экспериментальную установку как самостоятельно, так и вместе с исходной матрицей в подвешенном состоянии. Кроме того, прочность лайнеров позволяет устанавливать их с расположением оси в горизонтальном положении, если лайнер предварительно закрепить в специальном мишенном устройстве. Сублимационная сушка лайнера другого, отличного от цилиндра, тела вращения должна производиться в свободном виде после извлечения его из формы.

В случае использования в качестве излучающего вещества таких перспективных для лайнеров элементов, как молибден и вольфрам, не имеющих подходящих водорастворимых соединений, в данном способе предложено использовать свойство высокой летучести карбонильных соединений при невысоких температурах и разложения. Например температура возгонки Мо(СО)₆ составляет 150^oС, а температура возгонки W(CO)₆ около 50^oС.

В данном способе изготовления лайнеров на полимерной основе предложено вводить излучающее вещество в виде конденсата, полученного в процессе возгонки карбонильного соединения в парах дистиллированной воды, в результате которого металлическая фаза продуктов разложения карбонилов улавливается парами воды.

Процесс подготовки в лабораторных условиях осуществляется следующим образом. Стеклянный сосуд плотно закрывают крышкой. Через отверстие в крышке осуществляют ввод электрических контактов нагревателя, с помощью которого производят возгонку карбонила. В средней части сосуда размещен стеклянный стакан с навеской карбонила (молибдена или вольфрама), в нижнюю часть заливают дистиллированную воду. Нагреватель устанавливают над навеской карбонила. При подаче тока в нагреватель происходит его разогрев, начинается разложение карбонила и возгонка продуктов его разложения. До начала и в процессе разложения карбонила дистиллированную воду в сосуде нагревают до кипения.

Регулируя напряжение, подаваемое на нагреватель, добиваются равномерности возгонки карбонила. Процесс ведут стадиями: 2 3 мин разложение, 5 10 мин смыв продукта разложения со стенок сосуда парами воды, затем вновь 2 3 мин разложение карбонила и 5 10 мин смыв. Операции повторяют до тех пор, пока видны на глаз газообразные продукты разложения в верхней части сосуда. Как правило, для практически полного разложения карбонила в таких условиях требуется 1,5 2 ч. Полученный конденсат (синий для молибдена и желтый - для вольфрама) является исходным в технологии приготовления лайнеров для установок ИТС методом введения излучающего вещества в материал полимерной основы. Концентрацию молибдена или вольфрама в растворе определяют известными физико-химическими методами. В водный раствор полимера, полученный из карбонила конденсат (молибдена или вольфрама), можно вводить и в холодном, и в горячем состояниях. При этом, когда конденсат в горячем состоянии, то за счет этого осуществляют предварительный нагрев всей растворенной водной смеси полимера и излучающего вещества, а затем доводят температуру до образования студня.

Реализация предложенного способа позволяет быстро и с высокой степенью воспроизводимости при небольших затратах организовать производство лайнеров малых линейных масс и больших диаметров, что приведет к существенному повышению энергетических характеристик процесса сжатия лайнеров на экспериментальной установке.

Формула изобретения

1. Способ изготовления лайнера для инерциального термоядерного синтеза, заключающийся в изготовлении водного студнеобразного раствора на основе полимерного вещества и погружении в него матрицы для замораживания оболочки с последующей вакуумной сушкой, отличающийся тем, что перед погружением матрицы в раствор ее охлаждают, а перед вакуумной сушкой сформированную оболочку отделяют от матрицы, при этом изготовление студнеобразного раствора осуществляют с примесью излучающего вещества при соблюдении концентрации полимерного материала и излучающего вещества в растворе в пределах (0,5 - 1)·10^-3 г/см³ соответственно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерного материала используют поливиниловый спирт, концентрацию которого в растворе поддерживают в пределах (0,5 1) · 10^-3 г/см³.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерного материала используют агар-агар с концентрацией в растворе (1 2) ·10^-3 г/см³.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что вакуумную сушку проводят при отрицательной температуре.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что в качестве матрицы используют цилиндрическую стеклянную трубку.

6. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что перед погружением замороженной матрицы в студнеобразный раствор, последний охлаждают до комнатной температуры.

7. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что излучающее вещество на основе Мо и W получают в виде раствора из карбонильных соединений путем подогрева соединения до температуры испарения и улавливания излучающего вещества в дистиллированной воде при пропускании продуктов возгонки карбонильного соединения через пары водяной ванны.

8. Способ по пп.1 7, отличающийся тем, что перед намораживанием со стороны одного из торцов матрицы устанавливают проволочное фиксирующее кольцо лайнера.