CN105101601A - 一种全等离子体通道系统及其控制方法 - Google Patents

一种全等离子体通道系统及其控制方法 Download PDF

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金显吉
李中伟
陶宝泉
林景波
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赵志衡
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Abstract

本发明涉及一种全等离子体通道系统及其控制方法，该系统包括公共等离子体通道模块、截断器模块、快等离子体通道模块和溜槽线圈模块。该方法用于等离子体通道对等离子体进行的输运、筛选和注入的控制，能有效提高等离子体束能量的一致性、减少等离子体损失。

Description

一种全等离子体通道系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及等离子体磁约束领域，具体为一种全等离子体通道系统和进行等离子体输运的控制方法，实现了等离子体的输运和能量筛选。
背景技术
随着能源问题的日益突出，开发安全可靠、高效清洁的新能源迫在眉睫。受控核聚变作为一种理想的清洁能源，在燃料储量和安全性方面有着巨大的优势。目前，实现受控核聚变有两个研究方向：惯性约束和磁约束。其中磁约束核聚变是研究热点，其代表性的磁约束装置由托卡马克和仿星器。
多极磁阱磁约束装置作为非托卡马克型受控热核聚变等离子体磁约束的初极研究装置，与托卡马克、仿星器等磁约束装置相比，具有结构简单、体积小、可控性好、能自动抑制等离子体的互换不稳定性等优点。通过多组同轴线圈和支架系统构成的多极磁阱系统位于等离子体内部，是利用最小B原理实现对等离子体的磁约束。
目前，在多极磁阱工作时，等离子体枪产生的等离子体需要经过等离子体通道进行输运，然后注入到多极磁阱中从而实现等离子体的运输。由等离子体枪产生的等离子体的能量不均匀，导致了等离子体束中有快束等离子体和慢束等离子体。如果不对等离子体束进行筛选，等离子体的能量差别就会对后续的实验造成严重的干扰。
在这种背景下，我们提出了一种全等离子体系统和进行等离子体输运的控制方法。全等离子体系统利用多级串联磁镜原理在通道轴向上产生一个均匀的磁场，实现了对等离子体束约束和输运。并使用一个产生特殊磁场位形的截断器实现等离子体的能量筛选，最后通过溜槽线圈中和多极磁阱磁场实现等离子体的无损注入。全等离子体系统可以实现对等离子体束的约束、输运、能量筛选和注入，提高了等离子体束能量的一致性、减少了等离子体损失。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种全等离子体系统和进行等离子体输运的控制方法。实现对等离子体束的约束、输运、能量筛选和注入，提高等离子体束能量的一致性、减少等离子体损失。
为了达到上述目的，提供了一种全等离子体通道系统，包括公共等离子体通道模块、截断器模块、快等离子体通道模块和溜槽线圈模块。
所述的公共等离子体模块主要完成对等离子体枪产生的混合等离子体进行输运，混合等离子体束中根据等离子体能量的大小可划分为快等离子体束和慢等离子体束。公共等离子体模块由多组线圈串联组成，在线圈通电后在线圈轴线周围产生一个均匀的磁镜场，公共等离子体通道模块产生的磁感应强度为B1，针对等离子体束能量的大小改变公共等离子体通道电流调节轴向磁感应强的强弱，实现对等离子体束的初级输约束和输运。
所述的截断器主要是完成对等离子体进行快慢束分离，提高等离子体束能量的一致性，减少对后续实验的影响。截断器是由两组共轴环形线圈组成，在两组线圈之间产生与等离子体运动方向正交的磁场，截断器模块产生的正交磁场的磁感应强度为B2，通过改变其中电流的大小，改变截断器产生磁场的磁感应强度，实现对不同能量的等离子体束的截断筛选。
所述的快等离子体通道主要是完成对经过截断器筛选后的快等离子体束进行约束和输运。快等离子体模块也是由多组线圈串联组成，在线圈通电后在线圈轴线周围产生一个均匀的磁镜场，快等离子体通道模块产生磁场的磁感应强度为B3。针对筛选后的快等离子体束能量的大小改变快等离子体通道电流调节轴向磁感应强的强弱，实现对快等离子体束的约束和输运。
所述的溜槽线圈模块主要是完成将等离子体束注入到多极磁阱的工作。由于磁阱存在障壁磁场，实现等离子体的顺利注入需要中和注入区域的障壁磁场。溜槽线圈由多组线圈组成，产生一个与磁阱磁场方向相反的磁场，其磁感应强度的大小为B4，进而抵消多极磁阱的磁场。通过调节溜槽线圈中电流的大小可以产生可变的中和磁场，满足对不同的多极磁阱障壁磁场的抵消。
本发明还提供了一种进行等离子体输运的控制方法,该方法用于等离子体通道对等离子体进行的输运、筛选和注入的控制。该方法的详细说明如下：
步骤1：由等离子体测量设备得到等离子体枪产生等离子体所需要的时间为Tpg，等离子体束中慢束等离子体的速度为vs，快束等离子体的速度为vq。
步骤2：公共等离子体通道模块长度为L1，等离子体束通过公共等离子体通道模块的时间为T1，则公共等离子体通道模块的工作时间为Tg1＝Tpg+T1。
步骤3：截断器模块的长度为L2，慢等离子体束通过截断器的时间为T2s，快等离子体束通过截断器模块的时间为T2q。为保证可靠截断慢束等离子体，截断器模块的工作时间为Tg2＝Tg1+T2s。
步骤4：快等离子体通道模块长度为L3，经过快等离子体束通过公共等离子体通道模块的时间为T3，则快等离子体通道模块的工作时间为Tg3＝Tpg+T3。
步骤5：溜槽线圈模块产生一个与磁阱磁场方向相反的磁场，溜槽线圈模块的长度L4，快等离子体束通过溜槽线圈模块的时间为T4，则溜槽线圈模块的工作时间为Tg4＝Tpg+T4。
本发明具有以下优点：提供一种全等离子体通道系统及其控制方法，该系统包括公共等离子体通道模块、截断器模块、快等离子体通道模块和溜槽线圈模块。实现了对等离子体束的约束、输运、能量筛选和注入，提高了等离子体束能量的一致性、减少了等离子体损失。
附图说明
1.图1是本发明所述的等离子体通道系统的结构图；
2.图2是本发明所述的等离子体通道系统进行等离子体输运的控制方法流程图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的原理和特征进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明所述的等离子体通道系统包括公共等离子体通道模块11、截断器模块12、快等离子体通道模块13和溜槽线圈模块14。其工作原理为由等子体枪中发射出的等离子体束会被导入公共等离子体通道模块进行输运；这些等离子体束中有快束的，也有慢束的，经截断器模块对等离子体进行快慢束分离，然后由快等离子体通道模块输运至溜槽线圈模块。溜槽线圈模块产生与多极磁阱的屏蔽磁场方向相反的磁场，将磁阱的磁场打开一个“缺口”，从而让快等离子体束经由被打开“缺口”的进入多极磁阱内部进行磁约束。
所述的公共等离子体模块11主要完成对等离子体枪产生的混合等离子体进行约束和输运。公共等离子体模块由多组环形线圈串联组成，在线圈通电后在线圈轴线周围产生一个均匀的磁镜场，公共等离子体通道模块产生的磁感应强度约为0.04T～0.05T，针对等离子体束能量的大小，改变公共等离子体通道电流调节轴向磁感应强的强弱，实现对等离子体束的初级输约束和输运。
所述的截断器模块12主要是完成对等离子体进行快慢束分离，截断器是由两组共轴环形线圈组成，在两组线圈之间产生与等离子体运动方向正交的磁场,截断器模块产生的正交磁场的磁感应强度为0.05T，通过改变其中电流的大小，改变截断器产生磁场的磁感应强度，实现对不同能量的等离子体束的截断筛选。
所述的快等离子体通道模块13主要是完成对经过截断器筛选后的快等离子体束进行约束和输运。快等离子体模块也是由多组环形线圈串联组成，在线圈通电后在线圈轴线周围产生一个均匀的磁镜场，快等离子体通道模块产生磁场的磁感应强度为0.04T～0.05T。针对快等离子体束能量的大小，通过改变公共等离子体通道电流调节轴向磁感应强的强弱，实现了对快等离子体束的初级输约束和输运。
所述的溜槽线圈模块14产生一个与多极磁阱磁场方向相反的磁场，中和多极磁阱的障壁磁场，保证等离子体的顺利注入。溜槽线圈是由多组环形线圈组成，由于产生一个与磁阱磁场方向相反的磁场，其磁感应强度的大小与多极磁阱的磁感应强度相等，进而抵消多极磁阱的磁场。
如图2所示，本发明还给出了等离子体通道系统进行等离子体输运的控制方法流程。包括以下步骤：
步骤21：由等离子体测量设备得到等离子体枪产生等离子体的时间Tpg，等离子体束中慢束等离子体的速度为vs，快束等离子体的速度为vq。
步骤22：公共等离子体通道模块长度为L1，以慢束等离子体束通过公共等离子体通道模块的时间为标准，公共等离子体通道模块的工作时间为Tg1＝Tpg+T1。
步骤23：截断器模块的长度为L2，慢等离子体束通过截断器的时间为快等离子体束通过截断器模块的时间为为保证可靠截断慢束等离子体，截断器模块的工作时间为Tg2＝Tg1+T2s。
步骤24：快等离子体通道模块长度为L3，快等离子体束通过公共等离子体通道模块的时间为则快等离子体通道模块的工作时间为Tg3＝Tpg+T3。
步骤25：溜槽线圈模块产生一个与磁阱磁场方向相反的磁场，溜槽线圈模块的长度L4，快等离子体束通过溜槽线圈模块的时间为为保证等离子完整的注入到多极磁阱中，则溜槽线圈模块的工作时间为Tg4＝Tpg+T4。当等离子体注入到多极磁阱后，必须关闭溜槽线圈模块防止等离子体逃逸。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种全等离子体通道系统，包括公共等离子体通道模块、截断器模块、快等离子体通道模块和溜槽线圈模块，由等子体枪中发射出的等离子体束被导入公共等离子体通道模块进行输运；所述等离子体束包括快束和慢束，经截断器模块对等离子体进行快慢束分离，然后由快等离子体通道模块输运至溜槽线圈模块，溜槽线圈模块产生与多极磁阱的屏蔽磁场方向相反的磁场，将磁阱的磁场打开一个“缺口”，让快等离子体束经由所述被打开的“缺口”进入多极磁阱内部进行磁约束，
所述公共等离子体通道模块(11)用于对等离子体枪产生混合等离子体进行约束和输运，其由多组环形线圈串联组成，在线圈通电后在线圈轴线周围产生一个均匀的磁镜场，所述公共等离子体通道模块产生的磁感应强度约为0.04T～0.05T，针对等离子体束能量的大小，通过改变公共等离子体通道的电流来调节轴向磁感应强的强弱，实现了对等离子体束的初级输约束和输运。
2.根据权利要求1所述的全等离子体通道系统，所述截断器模块(12)用于对等离子体进行快慢束分离，所述截断器模块由两组共轴环形线圈组成，在两组线圈之间产生与等离子体运动方向正交的磁场,所述截断器模块产生的正交磁场的磁感应强度为0.05T,通过改变其中电流的大小，从而改变所述截断器模块产生磁场的磁感应强度，实现对不同能量的等离子体束进行截断筛选。
3.根据权利要求1或2所述的全等离子体通道系统，所述快等离子体通道模块(13)用于对经过截断器筛选后的快等离子体束进行约束和输运，所述快等离子体模块也是由多组环形线圈串联组成，在线圈通电后在线圈轴线周围产生一个均匀的磁镜场，快等离子体通道模块产生磁场的磁感应强度为0.04T～0.05T，针对快等离子体束能量的大小，通过改变公共等离子体通道的电流来调节轴向磁感应强的强弱，实现了对快等离子体束的初级输约束和输运。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的全等离子体通道系统，所述溜槽线圈模块(14)产生一个与多极磁阱磁场方向相反的磁场，中和多极磁阱的障壁磁场，实现等离子体的顺利注入，溜槽线圈由多组环形线圈组成，由此产生一个与磁阱磁场方向相反的磁场，其磁感应强度的大小与多极磁阱的磁感应强度相等,进而抵消多极磁阱的磁场。
5.根据权利要求1-4中任一项所述等离子体通道系统进行等离子体输运的控制方法，包括以下步骤：
步骤21：由等离子体测量设备得到等离子体枪产生等离子体的时间Tpg，等离子体束中慢束等离子体的速度为vs，快束等离子体的速度为vq；
步骤22：公共等离子体通道模块长度为L1,以慢束等离子体束通过公共等离子体通道模块的时间为标准，则公共等离子体通道模块的工作时间为Tg1＝Tpg+T1；
步骤23：截断器模块的长度为L2,慢等离子体束通过截断器的时间为快等离子体束通过截断器模块的时间为为保证可靠截断慢束等离子体，截断器模块的工作时间为Tg2＝Tg1+T2s；
步骤24：快等离子体通道模块长度为L3，快等离子体束通过公共等离子体通道模块的时间为则快等离子体通道模块的工作时间为Tg3＝Tpg+T3；
步骤25：溜槽线圈模块产生一个与磁阱磁场方向相反的磁场，所述溜槽线圈模块的长度L4，所述快等离子体束通过溜槽线圈模块的时间为为保证等离子完整的注入到多极磁阱中，则溜槽线圈模块的工作时间为Tg4＝Tpg+T4，当等离子体注入到多极磁阱后，关闭溜槽线圈模块以防止等离子体逃逸。
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