CN103413574B - 一种超声分子束注入装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核聚变技术领域，具体涉及一种超声分子束注入装置。本发明的装置包括分子束阀门、冷/热阱热沉和磁屏蔽筒，分子束阀门自内而外依次嵌套于冷/热阱热沉和磁屏蔽筒中，并固定在与聚变装置真空室相连接的法兰上，分子束阀门出口设有加长型拉瓦尔喷嘴。本发明的装置解决了现有超声气体注入器在高性能托卡马克高约束模式运行中等离子体加料效率低于20%和约束欠佳的技术问题；本发明的装置在现有大型超导托卡马克上的应用效果，已经显示：加料效率达到40%；具有触发低约束模式转换到高约束模式(L‑H)的功能；具备缓解边缘局域模不稳定性的功能，使器壁表面热负荷降低50%，从而维持H模常态运行。

Description

一种超声分子束注入装置
技术领域
本发明属于核聚变技术领域，具体涉及一种超声分子束注入装置。
背景技术
超声分子束注入是在常规喷气技术基础上发展起来的核聚变加料新方法。
在发明专利“超声气体或团簇注入器”（ZL10105647.1）中，公开了一种超声气体注入设备，其主要优点是能够提高加料效率一倍，以燃料气体氘为例，超声气体注入的加料效率为30至60%，而常规喷气加料的效率仅为15至30%。超声气体加料粒子有可能进入等离子体约束区。因此，对于提高等离子体的密度和密度峰化以及改善能量约束有利。这些成果主要是在较小规模（R=1.02m，a=0.20m）托卡马克HL-1M上取得的。但是，随着核聚变事业的发展，装置规模不断扩大，加热和约束手段进一步开发，等离子体压强（温度乘密度）随之增长，目前托卡马克标准运行程序是高约束模式（H模），预期ITER（国际核聚变实验堆）将运行于此模式，该运行模式具有高压强边缘输运垒（ETB），能够大大提高等离子体约束性能，但同时存在加料困难问题。
现代大型托卡马克装置尺度加大，加料注入口距离等离子体边缘在3m以上，比发明专利“超声气体或团簇注入器”（ZL10105647.1）中HL-1M装置注入距离超过10倍以上，边缘等离子体压强也成倍上升，因此，对加料提出了更为严格的要求。
托卡马克装置在高约束模式运行时，超声气体注入器存在下属缺陷：
（1）在托卡马克H模等离子体运行时，常规喷气加料效率下降至10%以下。超声气体注入加料效率降也低于20%，且粒子直接穿越高压强输运垒非常困难，密度增加主要靠粒子扩散。
（2）超声气体注入器使用的Laval喷嘴喉道深度只有1mm左右，超声束流定向性的优势未能充分发挥，随着分子束注射距离大幅度增加，粒子流中具有一定发散性的外围部分的作用也更加显现，而被注入对象等离子体压强却成倍提高，因此与常规喷气加料之间的差距逐渐缩小。
（3）随着核聚变装置规模不断扩大，边缘等离子体温度和密度随之增长，超声气体注入器发射的粒子穿越磁分界面直接进入等离子体约束区的数量很少。因此，即使在低约束模式（L模）运行时，因密度峰化改善能量约束的效果也不明显。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：现有超声气体注入器在高性能托卡马克高约束模式运行中等离子体加料效率低于20%且约束欠佳。
本发明的技术方案如下所述：
一种超声分子束注入装置，包括分子束阀门、冷/热阱热沉和磁屏蔽筒，分子束阀门自内而外依次嵌套于冷/热阱热沉和磁屏蔽筒中，并固定在与聚变装置真空室相连接的法兰上，分子束阀门出口设有加长型拉瓦尔喷嘴。
作为优选方案：
所述分子束阀门的进气口通过高气压密封接头与高压气源相连接；其出口设有加长型拉瓦尔喷嘴，分子束阀门出口的孔径与加长型拉瓦尔喷嘴的孔径相等，且处于同一轴线上。
所述分子束阀门的出口孔径规格可以为0.1～0.5mm；所述加长型拉瓦尔喷嘴的长度可以在58mm以上，其内壁呈圆锥形，半圆锥角规格可以为6～25°。
所述冷/热阱热沉通过冷/热通接头与冷通/热通系统相连，冷通系统可以采用液氮输液系统，热通系统可以采用压力蒸汽输液系统，温度调节范围可以为100～500K。提高工作气体温度可以使超声分子束速度进一步升高，有利于增加注入深度和加料效率的提高。
所述冷/热阱热沉和磁屏蔽筒之间可设有绝热套筒，冷/热阱热沉还可设有测温器件。
磁屏蔽筒优选采用软铁材料，可以通过分子束注入线定位筒固定在与聚变装置真空室相连接的法兰上。
本发明取得的有益效果为：
改进后超声分子束注入装置在高性能托卡马克高约束模式（H模）运行中，能够将分子束穿越磁分界面，进入等离子体台基区，在维持高加料效率（40%）的同时，在现有的大型超导托卡马克（中科院EAST和韩国KSTAR）上应用效果已经显示其对于优化H模运行的贡献：（一）降低从低约束模式转换到高约束模式（L-H）的功率阈值；（二）缓解边缘局域模（ELM）不稳定性，使器壁表面热负荷降低50%，从而维持H模常态运行。
（1）本发明的超声分子束注入装置能够将粒子穿越托卡马克H模的边缘输运垒（ETB），加料效率维持在40%左右；
（2）在托卡马克L模运行时，本发明装置注入粒子能穿越磁分界面（LCFS）进入等离子体边缘台基区，在低于阈值功率10%条件下，具有从低约束模式转换到高约束模式（L-H）的功能；
（3）托卡马克高约束模式运行时会引起I型边缘局域模（ELM）不稳定性，面向等离子体部件的热负荷值有可能超过最高允许值10MW/m2，严重威胁聚变装置的正常运行；在H模运行程序时，本发明装置注入粒子能穿越ETB加料，使ELM频率增加、ELM幅度降低，具备缓解边缘局域模不稳定性的功能，器壁表面热负荷降低50%，从而维持H模常态运行。
附图说明
图1为本发明的超声分子束注入装置结构示意图；
图2为超声分子束形成原理图；
图3为超声分子束注入缓解边缘局域模不稳定性数据。
图中，1-第一高气压密封接头；2-冷/热通接头；3-陶瓷可伐密封供电及电信号接插头；4-分子束注入线定位筒；5-磁屏蔽筒；6-绝热套筒；7-冷/热阱热沉；8-加长型拉瓦尔喷嘴；9-分子束阀门；10-第二高气压密封接头；11-热缓冲输液管道；12-法兰。
具体实施方式
如图1所示，本发明的超声分子束注入装置，包括：分子束阀门9、冷/热阱热沉7和磁屏蔽筒5。其中，分子束阀门9出口设有加长型拉瓦尔（Laval）喷嘴8，分子束阀门9自内而外依次嵌套于冷/热阱热沉7和磁屏蔽筒5中，并固定在与聚变装置真空室相连接的法兰12上。
所述分子束阀门9的进气口通过高气压密封接头与高压气源相连接；其出口设有加长型拉瓦尔喷嘴8，分子束阀门9出口的孔径与加长型拉瓦尔喷嘴8的孔径相等，且处于同一轴线上。本实施例中，分子束阀门9的出口孔径有多种规格，为0.1～0.5mm。加长型拉瓦尔喷嘴8的深度（长度）也有多种规格，为58m至68mm，其内壁呈圆锥形，半圆锥角也有多种规格，为6～25°。
所述冷/热阱热沉7通过冷/热通接头2与冷通/热通系统相连，温度调节范围为100～500K，通过调节工作气体温度来改变超声分子束的速度。本实施例中，在冷/热阱热沉7和磁屏蔽筒5之间还设有绝热套筒6，为冷/热阱热沉7隔热保温；冷/热阱热沉7还设有铂电阻测温器件测量工作气体的温度，根据温度监测数据和分子束速度定标，计算超声分子束的速度；所述冷通系统为液氮输液系统，所述热通系统为压力蒸汽输液系统。
所述磁屏蔽筒5采用常用软铁材料，用于屏蔽聚变装置环境杂散磁场以确保分子束阀门9能够正常运行。本实施例中，嵌套有分子束阀门9和冷/热阱热沉7的磁屏蔽筒5通过分子束注入线定位筒4固定在与聚变装置真空室相连接的法兰12上。
本发明的超声分子束注入装置超声分子束形成原理如图2所示：滞止状态高压气体向真空流动，通过加长型拉瓦尔喷嘴8，由压力差（Po-Pb）加速，并经扇形膨胀，进入真空区域（寂静区）：该区域内，马赫数M>>1，是超声分子束存在空间。其中，Po为滞止状态高压气体压强，Pb为本底真空压强。
本发明的超声分子束注入装置使用过程如下所述：
装置启用时分子束阀门9及输气管道抽真空至10-4Pa以上；
接通高压气源，向分子束阀门9输入纯度高于99.999%、气压范围为0.2～8.0MPa的高压气体；
冷/热阱热沉7将分子束阀门9内气体降温/升温至所需温度；
启动分子束阀门9驱动器，依据预设的脉冲个数、脉冲宽度、脉冲间隔时间向聚变装置高温等离子体发射分子束系列脉冲。
图3为本发明超声分子束注入大型超导托卡马克KSTAR装置实际使用的效果图。图示为多脉冲氘超声分子束注入缓解边缘局域模不稳定性的实验数据：应用多脉冲氘超声分子束注入，ELM频率缓解前为28Hz，缓解后为62Hz，频率增加了1.2倍；ELM幅度明显减少。单脉冲缓解时间最长可达500ms。

Claims (2)

1.一种超声分子束注入装置，包括分子束阀门(9)、冷/热阱热沉(7)和磁屏蔽筒(5)，分子束阀门(9)自内而外依次嵌套于冷/热阱热沉(7)和磁屏蔽筒(5)中，并固定在与聚变装置真空室相连接的法兰(12)上，其特征在于：分子束阀门(9)出口设有加长型拉瓦尔喷嘴(8)，超声分子束注入速度能够通过改变冷/热阱热沉(7)的温度加以调节；所述分子束阀门(9)的进气口通过高气压密封接头与高压气源相连接；其出口设有加长型拉瓦尔喷嘴(8)，分子束阀门(9)出口的孔径与加长型拉瓦尔喷嘴(8)的孔径相等，且处于同一轴线上；所述分子束阀门(9)的出口孔径规格为0.1～0.5mm；所述加长型拉瓦尔喷嘴(8)的长度在58mm以上，其内壁呈圆锥形，半圆锥角规格为6～25°；所述冷/热阱热沉(7)通过冷/热通接头(2)与冷通/热通系统相连；所述冷通系统为液氮输液系统，所述热通系统为压力蒸汽输液系统；所述冷/热阱热沉(7)温度调节范围为100～500K；所述冷/热阱热沉(7)和磁屏蔽筒(5)之间设有绝热套筒(6)；所述冷/热阱热沉(7)设有测温器件；所述磁屏蔽筒(5)采用软铁材料；所述磁屏蔽筒(5)通过分子束注入线定位筒(4)固定在与聚变装置真空室相连接的法兰(12)上。
2.一种使用如权利要求1所述的超声分子束注入装置的方法，包括：
装置启用时分子束阀门(9)及输气管道抽真空至10-4Pa以上；
接通高压气源，向分子束阀门(9)输入纯度高于99.999％、气压范围为0.2～8.0MPa的高压气体；
冷/热阱热沉(7)将分子束阀门(9)内气体降温/升温至所需温度；
启动分子束阀门(9)驱动器，依据预设的脉冲个数、脉冲宽度、脉冲间隔时间向聚变装置高温等离子体发射分子束系列脉冲。
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