惯性约束聚变(ICF)是实现受控热核聚变极有希望的途径之一,其研究工作的开展,无论对国民经济、军事应用,还是对基础学科探索都有着重要而特殊的意义。目前ICF实验使用的氘氚(DT)冷冻靶要求DT冰均匀分布在靶球的内表面,冰层内表面粗糙度优于1μm。要获得满足聚变实验要求的DT冷冻靶,需要控制DT冰结晶过程,实现DT单晶生长,由此减少冰层在生长过程中形成的各种缺陷。本论文运用晶体生长动力学理论,建立了氘晶体的两种单晶生长模型,在自主研制的低温装置上开展了玻璃微球内氘燃料的结晶行为研究,获得了如下主要实验结果。采用吸氢钒床增压的方式向实验用玻璃微球靶内充气高压D2/DT,靶球直径为200μm～300μm,壁厚2μm～3μm,球壳内表面粗糙度优于10nm。并通过单色钠黄光(波长：589.5nm)干涉条纹移动法对靶球内的高压D2/DT气体压力进行了测量,保证获得满足实验需求的充气靶球。采用直径为约为15μm炭纤维丝将充气靶球支撑于在实验靶室中心进行燃料的均匀降温冷冻。靶室主要采用了柱腔设计,用以对靶球的冷却提供超低温(14K-20K)环境,并采用具有16个“触爪”的两个低温导热臂对靶室进行均匀热传导,理论计算表明“触爪”之间的温差小于0.5mK,实际测量靶室温度均匀性达到±3mK,由此确保了靶球所在温度场环境的均匀性。通过稀薄气体导热克努森准数(Kn)理论计算靶室内He导热情况,计算表明,在目前的实验条件下,当靶室内导热He压力大于15Pa(Kn<0.01),靶室内He处于连续导热状态,此时He导热系数与He压力无关,不会影响到靶球表面的固有的温度分布；当He气压力在15Pa与1.5Pa之间时,He导热进入温度跃变区域,此时靶室内He导热系数随压力降低逐渐变大,由此会增大靶球到靶室之间的热阻,将进一步降低靶球表面温度的不稳定性,有利于靶室内氘燃料晶体生长。在实验过程中也发现,当靶室内He压力低于20Pa后左右,要使得氘燃料达到结晶点温度,靶室温度需要更低,实验结果与理论计算数据吻合,与重结晶技术相结合实现了含氚量为2mCi的氘氚冰重分布。采用了单色可见光背光成像对D2晶体的形成和生长过程进行了在线表征,可见光波长为620nm,图像分辨率达到1.0μm。通过在30K以下对靶球内的D2/DT燃料进行缓慢降温,实验发现,通过缓慢降温的方式有助于降低靶球内D2晶体缺陷形成,提高晶体品质,并在2mK/min速率降温条件下,观测到了玻璃微球内D2冰的两种单晶生长形态和不同的生长速率。其中在涟漪环生长形态下,D2晶体的生长速率为46±2μm/s,在晶带环生长形态下,’晶带环的形成速率约为3600μm/s(测量不确定度约为10%),晶带环形成后的扩展速率为18±2μm/s。运用布拉维法则与周期健链(PBC)理论建立了以密排六方晶体(hcp)结构的氘晶体生长模型,并与国外的DD/DT燃料单晶生长进行了对比分析。结果表明,在涟漪环的生长过程中,由于hcp晶体的棱柱方向优先生长,在6个生长方向具有相同的连续生长驱动力(△G),宏观上表现为以环状方式向外扩展结晶,在其生长过程中,由于晶体密排面(0001)限制,首先会在燃料外表面形成一层薄的晶膜,此后内部燃料会出现二次结晶生长过程；在晶带环的生长过程中,当氘燃料籽晶c轴方向与靶球极轴垂直时,氘晶体首先会在靶球内快速形成一个闭合的结晶环,随后液氘会在结晶环两侧扩展生长,此种生长只出现了一次结晶过程,可获得较高品质的单晶DD/DT冰。通过单色光背光成像技术在线表征了氘晶体的液化、结晶、生长过程,并对D2的结晶行为进行了分析,建立的hcp单晶生长理论模型与实验结果吻合,与美国利弗莫尔国家实验室(LLNL)的DT单晶生长过程进行了对比,提出了冷冻靶内D2/DT燃料的单晶生长方法,为DT冷冻靶的研制提供了技术支持。