CN100428365C - 超声气体或团簇注入器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种核聚变装置的加料设备，具体为一种超声气体或团簇注入器，它包括阀门组件，阀门组件固定在与环流器真空室管道连接的法兰上，该阀门组件为带有拉瓦尔喷口的气体射流阀门，气体射流阀门与高压输气管相连接，气体射流阀门外设有液氮冷阱，在液氮冷阱外设有磁屏蔽。该超声气体或团簇注入器克服了常规核聚变实验装置喷气加料注入粒子的分散性，提高了注入粒子通量、注入深度及加料效率，峰化等离子体密度，改善了等离子体约束性能。

Description

超声气体或团簇注入器
技术领域
本发明涉及一种核聚变装置的加料设备。
背景技术
常规喷气技术被普遍用于现有的核聚变实验装置的等离子体加料，其技术措施是，高压气体(气压约为0.2MPa左右)通过压电晶体阀门连续或脉冲注入核聚变实验装置真空室，用于建立初始等离子体或提高等离子体的密度。用常规喷气方法提高等离子体密度时出现了一些困难，存在的问题是气体粒子定向速度低，发散角大，只能沉积在等离子体边缘辐射区，粒子注入深度只有3至4cm，加料效率低，约为15％至30％。随着本底等离子体密度的增加，加料效率更低。这种加料形式所用的压电晶体阀门，是通过外加电压使压电晶体阀片的形变输入气体，阀门出口形状是直管式的，喷射的气体粒子发散角大、定向速度低；这种阀门的结构限制了喷口形状的改进，使其不能在高气压状况下运行，通常使用的气体压力低于0.2MPa。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能克服常规核聚变实验装置喷气加料注入粒子的分散性，提高注入粒子通量、注入深度及加料效率，峰化等离子体密度，改善等离子体约束性能的超声气体或团簇注入器。
本发明的技术方案如下：一种超声气体或团簇注入器，包括阀门组件，阀门组件固定在与环流器真空室管道连接的法兰上，该阀门组件为带有拉瓦尔喷口的气体射流阀门，气体射流阀门与高压输气管相连接，气体射流阀门外设有液氮冷阱，在液氮冷阱外设有磁屏蔽。
本发明所提供的超声气体或团簇注入器，用气体射流阀门代替原有的压电晶体阀门，用拉瓦尔(Laval)喷口替代直管式喷口，低温高压气体通过拉瓦尔喷口使无规则热运动粒子趋于定向，并使定向速度比原热运动速度提高2至3倍，形成超声气体或团簇射流注入，增加了注入深度，加料粒子有可能进入等离子体约束区。另外，这种阀门的工作气体气压可高达8MPa，气体温度可降至液氮温度，使用于核聚变的燃料气体氘(D2)形成团簇。这样，在同样口径情况下，比常规喷气注入粒子通量提高两个量级。使用该射流注入器后的超声气体团簇射流加料效率为30％至60％，比常规喷气加料效率提高一倍以上。有利于促使等离子体密度分布峰化、器壁粒子再循环下降、约束改善等。
附图说明
图1为超声气体或团簇注入器的结构示意图。
图中，1.阀门传热螺栓2.液氮输入管3.温度计探头4.磁屏蔽5.法兰6.高压输气管  7.液氮冷阱8.气体射流阀门  9.A-lock接头
具体实施方式
如图1所示，超声气体或团簇注入器包括阀门组件，阀门组件固定在与环流器真空室管道连接的CF150法兰5上，该阀门组件为带有拉瓦尔喷口的气体射流阀门8，此阀门可直接购得，型号为Series99，也可选用结构类似的其它型号或自行设计制造，但要求具备在液氮温度下承受真空和高气压密封的性能。气体射流阀门8通过A-lock接头9与高压输气管6相连接，该A-lock接头9既可以真空密封，又能承受10MPa的气压。气体射流阀门8外设有液氮冷阱7，液氮冷阱为注有液氮的铜容器，有助于提高传热效率，液氮通过在液氮输入管2注入铜容器内。液氮冷阱7外设有磁屏蔽4，以免核聚变装置(如托卡马克)运行时电磁场对阀门的干扰。
该超声气体或团簇注入器设置在核聚变实验装置的高压气源设备和真空室之间，由于气源气压与真空室的本底气压的压差很大，打开阀门将气源与真空室接通，燃料气体就会从很小(通常为亚毫米)的阀门喷口(拉瓦尔喷口)以超声气体射流形态喷入真空室。工作气压范围根据需要可在0.3MPa至5MPa之间。将阀门嵌入液氮冷阱，如冷阱工作在液氮温度，则可以形成氘团簇提高注入气体的密度一倍以上。
采用超声气体或团簇注入器加料与采用常规的压电晶体阀门加料的效果比较见下表：
超声气体或团簇注入加料与常规喷气加料效果之比较
  加料效率 能量约束时间(HL-1M) 密度峰化因子 最高密度(HL-1M)
常规喷气加料   15-30％     20ms     1.3  6×10<sup>19</sup>cm<sup>-3</sup>
超声气体射流加料   30-60％     26ms     1.7  8×10<sup>19</sup>cm<sup>-3</sup>

Claims (3)

1.一种超声气体或团簇注入器，包括阀门组件，阀门组件固定在与环流器真空室管道连接的法兰(5)上，其特征在于：所述的阀门组件为带有拉瓦尔喷口的气体射流阀门(8)，气体射流阀门(8)与高压输气管(6)相连接，气体射流阀门(8)外设有液氮冷阱(7)，在液氮冷阱(7)外设有磁屏蔽(4)。
2.如权利要求1所述的超声气体或团簇注入器，其特征在于：所述的气体射流阀门(8)通过A-lock接头(9)与高压输气管(6)相连接。
3.如权利要求1或2所述的超声气体或团簇注入器，其特征在于：所述的液氮冷阱(7)为注有液氮的铜容器。
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托卡马克超声分子束注入加料的进展. 姚良骅.核技术，第26卷第2期. 2003
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