CN103093843B - 一种基于磁流体发电原理的新型偏滤器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁流体发电原理的新型偏滤器，将磁流体发电原理应用在等离子体磁约束装置的偏滤器上，利用流入偏滤器的高温等离子体的能量，将其转换成电能。本发明一方面，可以减小高温等离子体对偏滤器靶板材料的轰击和偏滤器靶板上的热负载，降低等离子体磁约束装置对偏滤器靶板材料性能的要求，提高偏滤器的寿命。另一方面基于磁流体发电原理，将流入偏滤器的高温等离子体的能量转换为电能，提高了等离子体磁约束装置能量的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体磁约束装置中的偏滤器技术领域，具体涉及一种基于磁流体发电原理的新型偏滤器。
背景技术
用于受控核聚变的等离子体磁约束装置都需要排出装置运行过程中所产生的聚变产物、杂质粒子和从芯部等离子体逃离的等离子体，使用偏滤器技术是最常用的一种方法。偏滤器有几大功能，一、把等离子体约束区外的带电粒子偏滤到一个单独的室内，在此带电粒子轰击靶板，变为中性粒子被抽走；二、吸收这些粒子的能量，减少其直接轰击第一壁产生的杂质。传统的偏滤器完全靠偏滤器靶板吸收这些带电粒子的热能，因此要求偏滤器靶板承受的等离子体热负载很高，约为10MW/m2，并且轰击到偏滤器靶板的等离子体粒子的能量在1eV到100eV的量级范围。因此这对偏滤器靶板的材料提出了很高的要求，并对偏滤器的寿命产生了严峻的考验。
磁流体发电系统由于其结构简单、效率高，能直接将等离子体的内能转化为电能，因而受到广泛的关注与研究。但目前传统磁流体发电装置的性能取决于等离子体的电导率和磁场强度，主要使用燃烧等离子体作为工作物质，其特点是导电率低和需要很强的磁场强度，因此制约了传统磁流体发电技术的发展。而用于受控核聚变的等离子体磁约束装置中等离子体温度很高，流入偏滤器的等离子体也基本处于完全电离的状态，因此电导率很高。并且用于受控核聚变的等离子体磁约束装置中本身存在很强的磁场，流入偏滤器的等离子体流在垂直于环向磁场的方向上也有很大的流速分量，这样也就很好地满足了磁流体发电技术的需要。
综上可以看出，将磁流体发电原理应用在等离子体磁约束装置的偏滤器中，一方面利用磁流体发电的特点可以解决传统偏滤器技术所面临的困难，高效利用等离子体的能量；另一方面等离子体磁约束装置中流入偏滤器的高温等离子体的特性能很好的满足磁流体发电技术的需要，使得磁流体发电原理能够很好地应用在等离子体磁约束装置的偏滤器上。
发明内容
针对等离子体磁约束装置中偏滤器承受高温等离子体流高强度轰击的问题，本发明提供一种能降低偏滤器靶板热负载以及提高等离子体磁约束装置能量利用效率的新型偏滤器。该新型偏滤器利用流入偏滤器的等离子体进行磁流体发电，而且在此过程中降低偏滤器靶板上的热负载。
一种基于磁流体发电原理的新型偏滤器，包括一对极板、偏滤器靶板和由偏滤器室壁构成的中性化室，配套的辅助设备由抽气系统以及外负荷系统构成，其特征在于：
所述的一对极板位于等离子体进入中性化室的入口处；
所述的一对极板面向等离子体的表面平行于等离子体的流速u；
所述的一对极板面向等离子体的表面平行于等离子体磁约束装置中的环向磁场B；
所述的一对极板和外负荷系统连接构成电回路；
所述的一对极板和其他非外负荷系统有良好的绝缘性；
经过一对极板间隙的高温等离子体流的温度会有所降低，甚至部分离子和电子会结合成中性粒子，降低温度的等离子体流向偏滤器靶板，与偏滤器靶板作用，在中性化室中等离子体温度降至中性化，最终被抽气系统抽走。
其中，所述的一对极板也可以不严格平行于等离子体的流速u，允许有一定的夹角，这样一对极板还能提供一定的偏滤器靶板的功能，以高效利用真空室内有限的空间。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）、利用了磁流体发电技术，将流向偏滤器靶板的等离子体能量部分转化为电能，降低等离子体的温度，减弱等离子体对偏滤器靶板的轰击和减小偏滤器靶板上的热负载。
（2）、利用了磁流体发电技术，将流向偏滤器靶板的等离子体能量部分转化为电能，提高了等离子体磁约束装置的能量利用效率。
（3）、利用偏滤器等离子体温度高、电离度高、电导率大的特点，以及利用等离子体磁约束装置固有的强磁场，克服了磁流体发电技术的两大技术难题，很好地满足了磁流体发电技术的两大需求，使得磁流体发电技术能够很好的应用在等离子体磁约束装置当中，尤其是偏滤器上。
附图说明
图1为一种基于磁流体发电原理的新型偏滤器示意图；图中，1为一对极板，2为中性化室，3为偏滤器靶板，4为偏滤器室壁，5为外负荷系统，6为抽气系统，u为等离子体流速，B为环向磁场。
图2为一种基于磁流体发电原理的新型偏滤器在托卡马克等离子体单零位形上的应用。图中，11为堆芯等离子体，12为边沿等离子体，13为刮削层，14为X分支点，15为偏滤器等离子体，16为极板，17为偏滤器靶板，Bt为托卡马克环向磁场，R为径向坐标轴，Z为托卡马克中轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
本发明是这样实现的，如图1所示，在等离子体磁约束装置的偏滤器中性化室2的入口处，沿着平行于等离子体流速u和环向磁场B的方向上放置一对极板1，使等离子体在一对极板1之间流动，等离子的流速u垂直于环向磁场B，会在一对极板1间产生垂直于极板面向等离子体表面的感应电场E=u×B，极板间形成感应电动势。如果一对极板1用导线连接到外负荷系统5，形成电回路，便在电回路中产生电流，于是将等离子体的内能和动能转化为电能。
经过一对极板1间隙的高温等离子体流的温度会有所降低，甚至部分离子和电子会结合成中性粒子。降低温度的等离子体流向偏滤器靶板3，与偏滤器靶板3作用，在中性化室2中等离子体温度降至中性化，最终被抽气系统6抽走。
抽气系统6需要有足够的抽气能力，用于抽掉在中性化室2内中性化后的气体，以保证一对极板1两端有尽可能有高的压强差，来驱动等离子体有尽可能高的流速，提高该新型偏滤器的性能。
所述用于磁流体发电的一对极板1位于等离子体流的两侧，平行于等离子体的流速u。依据其用途有两种安排方式，一种为极板面向等离子体的表面严格平行于等离子体的流速u，这样极板仅仅作为磁流体发电用的极板；另一种为极板面向等离子体的表面并不严格平行于等离子体的流速u，而是有一夹角，这样极板还能提供一定的偏滤器靶板的功能，以高效利用真空室内有限的空间。
现在以托卡马克等离子体单零位形为例，对具体的方式实施加以说明：
图2为托卡马克等离子体单零位形的纵向剖面图，其显示了等离子体位形中等离子体和本新型偏滤器的关系。其中只标示出此新型偏滤器的极板16和偏滤器靶板17与托卡马克等离子体的位置关系，其他构成的部件和系统参考图1。托卡马克等离子体分堆芯等离子体11、边沿等离子体12、刮削层13和偏滤器等离子体15。偏滤器等离子体15是由边沿等离子体12逃离约束的部分和逃离后的等离子体轰击第一壁产生的杂质粒子进入刮削层13，再由刮削层13流向偏滤器产生的。偏滤器等离子体15分成两束分别轰击打在两个偏滤器靶板17上。如图2所示，沿两束偏滤器等离子体流的方向上分别放置一对极板16，极板与外部负荷连接。在此例中，两对极板是以托卡马克中轴Z轴为中心的同心圆环。
流入本新型偏滤器的等离子体流速基本垂直于托卡马克环向磁场Bt，于是在极板间形成感应电动势，经极板将电流导出。流经极板间隙的等离子体的内能和动能会部分转化为电能，其温度会有所下降，甚至部分离子和电子会结合成中性粒子。降低温度的等离子体再流向偏滤器靶板，与偏滤器靶板作用，温度降至中性化，最终被抽气系统抽走。抽气系统保证中性化后的气体压强远远小于进入偏滤器的等离子体热压强，使得流经极板间隙的等离子体有很大的流速，因而偏滤器能将更多的等离子体内能转化为电能。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (1)
1.一种基于磁流体发电原理的偏滤器，包括一对极板(1)、偏滤器靶板(3)和由偏滤器室壁(4)构成的中性化室(2)，配套的辅助设备由抽气系统(6)以及外负荷系统(5)构成，其特征在于：
所述的一对极板(1)位于等离子体进入中性化室的入口处；
所述的一对极板(1)面向等离子体的表面平行于等离子体的流速u或与等离子体的流速u具有一定的夹角；
所述的一对极板(1)面向等离子体的表面平行于等离子体磁约束装置中的环向磁场B；
所述的一对极板(1)和外负荷系统(5)连接构成电回路；
所述的一对极板(1)和其他非外负荷系统有良好的绝缘性；
经过一对极板间隙的高温等离子体流的温度会有所降低，甚至部分离子和电子会结合成中性粒子，降低温度的等离子体流向偏滤器靶板，与偏滤器靶板作用，在中性化室中等离子体温度降至中性化，最终被抽气系统抽走；
该基于磁流体发电原理的偏滤器利用了磁流体发电技术，将流向偏滤器靶板的等离子体能量部分转化为电能，降低等离子体的温度，减弱等离子体对偏滤器靶板的轰击和减小偏滤器靶板上的热负载；
该基于磁流体发电原理的偏滤器利用了磁流体发电技术，将流向偏滤器靶板的等离子体能量部分转化为电能，提高了等离子体磁约束装置的能量利用效率；
该基于磁流体发电原理的偏滤器利用偏滤器等离子体温度高、电离度高、电导率大的特点，以及利用等离子体磁约束装置固有的强磁场。
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