CN100351951C - 未来托卡马克聚变堆电站燃料注入方式 - Google Patents

未来托卡马克聚变堆电站燃料注入方式 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种未来托卡马克聚变堆电站燃料注入方式，其特征是将高压聚变堆燃料气体通过管道输入到真空室高场区，管道末端设置一个拉瓦喷嘴，使得喷嘴出口处的气流速度达到超音速，进入等离子体高场区，有很高的输入效率。

Description

未来托卡马克聚变堆电站燃料注入方式
技术领域
本发明属于一种核聚变反应堆燃料注入技术，具体是一种托卡马克聚变反应堆的燃料注入技术。
背景技术
在目前已有的大中型托卡马克装置运行中，为了抑制并降低等离子体破裂对装置的偏滤器等结构造成破坏，或装置停止运行时保证等离子体软着陆，以至不会给装置带来极大破坏，以及等离子体放电时燃料的补充，通常是向等离子体区域喷射弹丸(固态惰性气体)、液态惰性气体或直接充入低压惰性气流(GAS PUFFER)。但这几种燃料注入方式对于未来聚变堆来说，都存在一定缺陷，弹丸注入方式只能是直线弹道，这对于未来聚变堆电站不切实际，因为要从托卡马克装置外部将弹丸引到高场区，存在很多弯道，一旦输运过程中有弯道，冰丸破损十分厉害，因此损耗严重。如果采用液态燃料喷射，液态燃料势必会经过高温包层区，输送管道传热十分严重，液态燃料甚至会发生物理和化学变化，也不切实际。如果采用目前大多装置使用的，直接充入低压惰性气流，由于喷嘴必须设计在装置真空室内部，并且效率非常低，最大只能达到20％，如果用在未来聚变堆上，一旦经过很长的输送管道，效率就更低。
发明内容
本发明提出了一种采用拉瓦喷嘴，采用超高压气体喷射方法，在等离子体高场区进行燃料注入，气流速度可达到超音速，效率非常高，阀门远离堆芯进行控制。
本发明的技术方案如下：
未来托卡马克聚变堆电站燃料注入方式，其特征是将高压聚变堆燃料气体通过管道输入到真空室高场区，管道末端设置一个拉瓦喷嘴，使得喷嘴出口处的气流速度达到超音速，进入等离子体高场区。
所述的拉瓦喷嘴出口处的气流速度达到1500～3000m/s，喷嘴离等离子区的边缘等离子体距离为15～25cm，
拉瓦喷嘴出口处的气流速度达到2670m/s，喷嘴离等离子区的边缘等离子体距离为20cm，高压聚变堆燃料气体的大气压为100大气压，存储在缓冲气罐内，通过阀门控制输出。
燃料气体是氘气或氚气，输气管道是固定在托卡马克装置放电真空室的内部部件或包层上。
在托卡马克装置中，纵场线圈的截面为D形，根据整个托卡马克装置的磁场分布，在D形截面的直线段附近是磁场最强的区域，而在D形截面最外端，大弧段处，是磁场最弱的区域，因此我们通常把靠近D形截面直线段附近的等离子体称为等离子体高场区，而靠近D形截面大弧段的等离子体称为等离子体低场区。
采用数值分析方法模拟不同状态高压气体从喷枪喷出后，在超高真空状态下的速度场、马赫数的分布，从而为托卡马克工程的详细设计提供依据，包括喷枪的数目，喷嘴直径，喷嘴到等离子体距离以及其他相关尺寸。
附图说明
图1为本发明结构设计简图。
图2为喷嘴附近射流速度分布。
图3为喷嘴附近射流密度分布。
图4为喷嘴附近射流马赫数分布。
图5为拉瓦喷嘴结构图。
具体实施方式
参见图1～图6。
托卡马克聚变堆电站燃料注入方式的气路流程是：首先聚变堆燃料气体存储在一个低压储气罐内，然后经过压缩机，气流压力升高到100个大气压，存储在缓冲罐，最终由阀门控制，通过拉瓦喷嘴，气流经过喷嘴收缩颈口，先压缩，接着急剧膨胀，最大速度气流可以达到2670m/s，马赫数达到5，进入等离子体高场区。喷嘴离等离子区的边缘等离子体距离为20cm，从缓冲罐到喷嘴距离为5m，管道直径为10mm.。
对于等离子体及其边缘区域，采用粒子声速，其值不是空气中声速340m/s，它是随等离子体区域温度、真空度等条件变化的，在等离子体中心区域一般粒子声速为105m/s，在等离子体边缘要低些，但比普通声速要高，上述马赫数是气流速度与等离子体粒子声速的比值。
因为是真空室是超高真空区域，气流一进入该区域立刻迅速扩散，密度急剧降低，所以要求气流速度必须大于声速，保证在几个毫秒内有1026量级的燃料粒子数到达等离子体区域。喷嘴到边缘等离子体距离不能大于20cm。

Claims (3)

1、未来托卡马克聚变堆电站燃料注入方式，其特征是将高压聚变堆燃料气体通过管道输入到真空室高场区，管道末端设置一个拉瓦喷嘴，使得喷嘴出口处的气流速度达到超音速，进入等离子体高场区。
2、根据权利要求1所述的注入方式，其特征在于所述的拉瓦喷嘴出口处的气流速度达到1500～3000m/s，喷嘴离等离子区的边缘等离子体距离为15～25cm。
3、根据权利要求1所述的注入方式，其特征在于拉瓦喷嘴出口处的气流速度达到2670m/s，喷嘴离等离子区的边缘等离子体距离为20cm，高压聚变堆燃料气体的大气压为100大气压，存储在缓冲气罐内，通过阀门控制输出。
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