CN104795111A - 一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法及装置，利用毛细管放电等离子体发生器产生的高速、高压等离子体射流推动冰冻燃料弹丸达到合适的注入速度进入反应堆心，从而使托卡马克装置中的等离子体得到有效地补充并达到及维持聚变反应条件。本发明建立的托卡马克装置加料方法及系统方案，与目前托卡马克聚变实验装置中常用的多级轻气枪弹丸注入系统相比，不仅可以得到更高的注入速度，注入频率和加料效率，而且能保证较低的杂质引入，所需要的输入能量更低，同时具有一定的智能性，极大地提高了托卡马克聚变堆稳态运行的可能性。

Description

一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法及装置

技术领域

本发明属于磁约束聚变技术领域，具体涉及一种利用毛细管放电等离子体发生器产生的高速高压等离子体射流将冰冻燃料弹丸推进至托卡马克装置聚变等离子体堆心的方法及相关装置设计。

背景技术

托卡马克(Tokamak)装置需要一个高速、高效、可靠的加料系统使冰冻燃料弹丸穿过等离子体边缘层进入高温堆心，因此深度反应堆燃料添加技术是备受关注的重要问题。然而，常规的冰冻燃料弹丸注入方法面临着诸多挑战，首先需要保证加料效率，即保证足够的弹丸速度使得弹丸在融化前进入堆心，同时需要足够的注入频率以保证加料过程的连续性；其次，在弹丸注入过程中同时必须保证反应堆无有害杂质进入，否则由于轫致辐射损失极易影响等离子体的形成和稳定；最后是需要有效地抑制弹丸注入引起的边缘局域模。

现有的托卡马克聚变实验装置提供有弱场侧注入和强场侧注入两种弹丸注入方式，弹丸通常通过弱场侧注入导管(直管)或强场侧注入导管(弯管)进入聚变等离子体中。在现有的ITER装置上，为了得到足够的加料效率以维持托卡马克装置运行，弱场侧注入方法对弹丸注入速度(3-5km/s)、注入频率(10-50Hz)的要求十分严苛。然而，现有的多级轻气枪弹丸注入方法的弹丸速度(1km/s)和注入频率(1Hz)明显不足，而尽管在同样的注入速度下，强场侧注入可以获得更大的加料效率，但由于使用曲线导管传输弹丸，为了保证弹丸完整性，弹丸注入速度被限制在300m/s以下，对加料效率的提升效果有限。

因此，针对目前弹丸注入方法给托卡马克加料效率不足的问题，为了达到实际聚变堆对深层燃料添加的要求，亟待提出一种可以显著地提升托卡马克加料效率的加料方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法及装置，用于解决目前弹丸注入加料效率不足的问题，以达到实际聚变堆对深层燃料添加的要求。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法，包括以下步骤：

利用高速、高压强等离子体射流推动冰冻燃料弹丸进入反应堆心，从而使托卡马克装置中的等离子体得到补充并达到及维持聚变反应条件。

由可重复触发的脉冲功率源对毛细管放电等离子体发生器放电，使毛细管放电等离子体发生器自击穿产生初始等离子体，进而对毛细管放电等离子体发生器的器壁材料进行烧蚀达到自持放电，从而产生高速、高压强等离子体射流。

所述利用电热推进对托卡马克装置加料的方法具体包括以下步骤：

1)根据托卡马克装置的加料需求，确定冰冻燃料弹丸的注入速度和注入频率，然后设置所述脉冲功率源的放电电压与放电频率；

2)根据所述脉冲功率源的放电频率，确定弹丸生成和挤压系统的弹丸生成和挤压频率；

3)同步启动或以一定的间隔时间先后启动所述脉冲功率源以及弹丸生成和挤压系统，在托卡马克装置中的聚变等离子体维持阶段，利用所述高速、高压强等离子体射流将弹丸生成和挤压系统输送至弹道入口内的冰冻燃料弹丸注入至反应堆心；

4)停止冰冻燃料弹丸注入时，先退出弹丸生成和挤压系统，再切断所述脉冲功率源。

所述脉冲功率源的放电频率为弹丸生成和挤压频率的整数倍，所述脉冲功率源与弹丸生成和挤压系统的启动的间隔时间为所述脉冲功率源的放电脉宽的整数倍。

所述弹道的材料为不锈钢或石英，弹道的内表面设置有纳米金刚石薄膜；所述器壁材料所含元素的原子序数不高于碳，所述毛细管放电等离子体发生器的电极材料为石墨。

所述高速、高压强等离子体射流将冰冻燃料弹丸沿弹道推进至托卡马克装置的弱场侧注入导管。

所述冰冻燃料弹丸的注入频率为12-200Hz；所述冰冻燃料弹丸的注入速度为3-4.5km/s。

一种利用电热推进对托卡马克装置加料的装置，包括弹丸生成和挤压系统、弹道、毛细管放电等离子体发生器以及可重复触发的脉冲功率源，所述毛细管放电等离子体发生器的电极与所述脉冲功率源相连，毛细管放电等离子体发生器的出口与弹道的入口紧密相连，弹丸生成和挤压系统与弹道在弹道入口处相连，弹道的出口与托卡马克装置的弱场侧注入导管相连。

所述毛细管放电等离子体发生器的器壁材料所含元素的原子序数不高于碳，所述毛细管放电等离子体发生器的电极材料为石墨；所述弹道的材料为不锈钢或石英，弹道的内表面设置有纳米金刚石薄膜。

所述毛细管放电等离子体发生器长60-140mm，内径为3-4mm；所述弹道的长度为90-400mm，内径为3-5mm。

本发明具有如下有益技术效果：

与目前托卡马克聚变实验装置中常用的多级轻气枪弹丸注入系统相比，本发明弹丸注入速度和注入频率更高，加料效率更高，极大地提高了聚变堆稳态运行的可能性；本发明所需求的输入能量较低，并且电热发射具有很好的一致性，从而提高了聚变堆运行的经济性。本发明可以通过程序化控制实现，具有一定的智能性，可以很好地面向未来磁约束核聚变反应堆的运行。

本发明针对加料系统中可能给聚变堆引入杂质的问题进行了优化，通过控制器壁材料，电极材料和弹道材料有效地抑制了杂质引入，从而降低了偏滤器的工作压力。

附图说明

图1为利用电热推进给托卡马克装置加料系统的示意图；

图2为本发明所述加料方法的启动流程图；

图3为本发明所述加料方法的退出流程图；

图中：1：脉冲功率源；2：毛细管放电等离子体发生器的阳极；3：毛细管放电等离子体发生器的内壁(即器壁)；4：毛细管放电等离子体发生器的阴极；5：弹丸生成和挤压系统；6：弹道；7：弱场侧注入导管；8：冰冻燃料弹丸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。在此本发明的附图及说明用来解释发明，但并不作为对本发明使用范围的限定。

参见图1，本发明提供了一种利用电热推进给托卡马克装置加料的系统，系统由四个部分组成，分别是可重复触发的脉冲功率源1，毛细管放电等离子体发生器，弹道6和弹丸生成和挤压系统5。毛细管放电等离子体发生器的出口与弹道入口紧密相连，弹丸生成和挤压系统与弹道在弹道入口处相连(弹道与弹丸生成和挤压系统的弹丸输出管道垂直)，冷冻燃料弹丸8由弹丸生成和挤压系统制成并放置在弹道的入口处，弹道的出口则与托卡马克装置的弱场侧注入导管7紧密相连。

上述系统利用高速、高压强等离子体射流推动冰冻燃料弹丸至合适的速度进入反应堆心，该高速、高压强等离子体射流由所述脉冲功率源对毛细管放电等离子体发生器放电、毛细管放电等离子体发生器自击穿(空气)产生初始等离子体、进而对器壁材料进行烧蚀达到自持放电而产生。在高速、高压强等离子体射流下，弹丸一经发射出弹道，即可经弱场侧注入导管进入托卡马克装置中，完成加料过程，从而使托卡马克装置中的等离子体得到补充并达到及维持聚变反应条件。

毛细管放电等离子体发生器中的器壁材料所含元素的原子序数须不高于碳，比如可使用的器壁材料为氘化锂，聚乙烯等，可在获得足够压强的等离子体射流的同时，避免给托卡马克装置带来杂质，毛细管放电等离子体发生器的电极材料为石墨，在可耐受多次击穿的同时，亦避免给托卡马克装置带来杂质。所述弹道的材料为不锈钢或石英，弹道内部覆有光滑、低摩擦的纳米金刚石薄膜，有效地减少冰氘氚弹丸在弹道中的因摩擦引起的速度损失和质量损失，同时也降低了对托卡马克装置的杂质引入。

基于上述系统的加料流程如下：

1)根据托卡马克装置的加料需求，确定弹丸注入速度和注入频率，进而设置脉冲功率源的放电电压与放电频率；

2)根据脉冲功率源的放电频率，确定弹丸生成和挤压频率；

3)同步启动或以一定的间隔时间先后启动脉冲功率源与弹丸生成和挤压系统，在托卡马克装置中的聚变等离子体维持阶段，通过弹丸注入补充损失的锂和氘；

4)停止弹丸注入时，先退出弹丸生成和挤压系统，再切断脉冲功率源。

5)退出系统后，检查毛细管放电等离子体发生器的烧蚀情况，及时更换器壁材料。

所述脉冲功率源放电频率应为冰冻燃料弹丸生成和挤压频率的整数倍，以保证加料过程的有序稳定，保证每一个弹丸均在相同的、最优的等离子体射流条件下被发射，从而获得最大的弹丸注入速度。脉冲功率源与弹丸生成和挤压系统的启动的间隔时间为脉冲功率源放电脉宽的整数倍，以保证第一个弹丸在最优的等离子体射流条件下被发射。

以下以毛细管放电等离子体发生器(长100mm，内径4mm)器壁材料为聚乙烯，弹道长度为96mm(内径略大于弹丸)作为例子进行说明。

利用电热推进给托卡马克装置加料方法的启动流程，如图2所示，启动系统需要首先确定当前托卡马克装置的运行情况，计算所需要的弹丸注入速度和注入频率，进而设置所述脉冲功率源的放电电压、放电脉宽和放电频率(放电峰值电压为20kV，放电脉宽为300μs)；然后根据所述脉冲功率源的放电频率，确定弹丸生成和挤压频率，一般要求脉冲功率源放电频率(例如：24Hz)应为弹丸生成和挤压频率的整数倍(例如：12Hz)；接着，设定脉冲功率源和弹丸生成和挤压系统的启动方式和启动参数，启动方式包括同步启动或先后启动脉冲功率源与弹丸生成和挤压系统，若以一定的间隔时间先后启动脉冲功率源与弹丸生成和挤压系统，则需要满足启动匹配要求，启动匹配一般要求先启动脉冲功率源后启动弹丸生成和挤压系统的间隔时间应为脉冲功率源放电脉宽的整数倍；按上述要求启动后，等离子体射流压强可达100MPa，由毛细管放电等离子体发生器出口喷出进入弹道，推进通过弹丸生成和挤压系统制成并停留在弹道入口的5-10K的冰氘氚弹丸至3.5km/s后进入弱场侧注入导管，该过程不到60μs，小于放电脉宽，在该过程中，冰氘氚弹丸的消融速度仅为在聚变等离子体边缘处的6.9183×10^-6。弹丸经弱场侧注入导管进入托卡马克装置中，补充在托卡马克装置维持阶段损失的锂和氘，完成加料。该弹丸电热推进注入过程在退出加料系统前一直重复进行。

利用电热推进给托卡马克装置加料方法的退出流程，如图3所示，停止弹丸注入时，应首先退出弹丸生成和挤压系统，然后切断脉冲功率源；退出系统后，检查毛细管放电等离子体发生器的烧蚀情况，评估烧蚀状态，及时更换器壁材料。

Claims (10)

1.一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

利用高速、高压强等离子体射流推动冰冻燃料弹丸(8)进入反应堆心，从而使托卡马克装置中的等离子体得到补充并达到及维持聚变反应条件。

2.根据权利要求1所述一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法，其特征在于：由可重复触发的脉冲功率源(1)对毛细管放电等离子体发生器放电，使毛细管放电等离子体发生器自击穿产生初始等离子体，进而对毛细管放电等离子体发生器的器壁材料进行烧蚀达到自持放电，从而产生高速、高压强等离子体射流。

3.根据权利要求2所述一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法，其特征在于：所述利用电热推进对托卡马克装置加料的方法具体包括以下步骤：

1)根据托卡马克装置的加料需求，确定冰冻燃料弹丸(8)的注入速度和注入频率，然后设置所述脉冲功率源(1)的放电电压与放电频率；

2)根据所述脉冲功率源的放电频率，确定弹丸生成和挤压系统(5)的弹丸生成和挤压频率；

3)同步启动或以一定的间隔时间先后启动所述脉冲功率源(1)以及弹丸生成和挤压系统(5)，在托卡马克装置中的聚变等离子体维持阶段，利用所述高速、高压强等离子体射流将弹丸生成和挤压系统(5)输送至弹道(6)入口内的冰冻燃料弹丸(8)注入至反应堆心；

4)停止冰冻燃料弹丸(8)注入时，先退出弹丸生成和挤压系统(5)，再切断所述脉冲功率源(1)。

4.根据权利要求3所述一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法，其特征在于：所述脉冲功率源(1)的放电频率为弹丸生成和挤压频率的整数倍，所述脉冲功率源与弹丸生成和挤压系统的启动的间隔时间为所述脉冲功率源的放电脉宽的整数倍。

5.根据权利要求3所述一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法，其特征在于：所述弹道(6)的材料为不锈钢或石英，弹道的内表面设置有纳米金刚石薄膜；所述器壁材料所含元素的原子序数不高于碳，所述毛细管放电等离子体发生器的电极材料为石墨。

6.根据权利要求1所述一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法，其特征在于：所述高速、高压强等离子体射流将冰冻燃料弹丸(8)沿弹道(6)推进至托卡马克装置的弱场侧注入导管(7)。

7.根据权利要求1所述一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法，其特征在于：所述冰冻燃料弹丸的注入频率为12-200Hz；所述冰冻燃料弹丸的注入速度为3-4.5km/s。

8.一种利用电热推进对托卡马克装置加料的装置，其特征在于：包括弹丸生成和挤压系统(5)、弹道(6)、毛细管放电等离子体发生器以及可重复触发的脉冲功率源(1)，所述毛细管放电等离子体发生器的电极与所述脉冲功率源(1)相连，毛细管放电等离子体发生器的出口与弹道(6)的入口紧密相连，弹丸生成和挤压系统(5)与弹道(6)在弹道入口处相连，弹道(6)的出口与托卡马克装置的弱场侧注入导管(7)相连。

9.根据权利要求8所述一种利用电热推进对托卡马克装置加料的装置，其特征在于：所述毛细管放电等离子体发生器的器壁材料所含元素的原子序数不高于碳，所述毛细管放电等离子体发生器的电极材料为石墨；所述弹道(6)的材料为不锈钢或石英，弹道的内表面设置有纳米金刚石薄膜。

10.根据权利要求8所述一种利用电热推进对托卡马克装置加料的装置，其特征在于：所述毛细管放电等离子体发生器长60-140mm，内径为3-4mm；所述弹道(6)的长度为90-400mm，内径为3-5mm。