CN108288509A - 基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法及装置，该方法包括在托卡马克真空室上安装气体注入装置；将需要注入的气体预先装载到气体注入装置中；将气体注入装置的开关阀触发控制端连接到托卡马克中央控制系统；在等离子体稳定运行时，托卡马克中央控制系统不触发开关阀，气体注入装置不开启；在等离子体即将破裂时，托卡马克中央控制系统触发开关阀开启气体注入装置，气体注入装置向等离子体内注入气体。气体注入装置包括气体存储部件、开关阀及注入管口。本发明在等离体子要发生破裂时向等离子体注入气体，进入等离子体内的气体使等离子体局部电流扰动引起磁场扰动，从而抑制逃逸电流的形成，避免逃逸流对装置的损害。
Description
技术领域
本发明属于磁约束核聚变等离子体破裂防护领域，具体涉及一种利用气体注入增强托卡马克等离子体磁场扰动，引起逃逸电子径向输运损失，抑制破裂期间逃逸电流形成的方法及装置。
背景技术
托卡马克等离子体破裂对装置安全运行造成的威胁，是阻碍磁约束核聚变发展的关键因素之一。大型托卡马克装置等离子体电流达到兆安量级，等离子体温度达到一亿摄氏度，等离子体储存的内能和电磁能量均达到百兆焦耳量级。托卡马克发生破裂时，等离子体电流的快速下降会导致等离子体环向电场迅速上升。等离子体内电子发生逃逸需要的能量阈值降低，逃逸电子雪崩效应增强，导致破裂时形成大量逃逸电子。这些逃逸电子被磁场约束成为逃逸电流束。由于破裂时感应的环向电场很强，逃逸电子能够加速到接近光速，具有极高的能量。逃逸电流束轰击托克马克真空室壁会严重损伤壁材料。
针对破裂期间形成的高能逃逸电子，现有的大量研究探索了相关的缓解方法。大量气体注入(Massive Gas Injection，MGI)是目前研究最为广泛的破裂缓解方法，通过向真空室内注入大量杂质气体，可以增加等离子体的碰撞阻尼力，减缓逃逸电子的加速过程。另外通过共振磁场扰动(RMP)线圈也可以增加磁扰动，抑制逃逸电子的产生。虽然MGI和RMP在现有的大多数托卡马克装置上都取得了一定的破裂缓解效果，但是这些方法并不能完全抑制破裂时逃逸电子的形成。目前大量气体注入的混合效率出现瓶颈，破裂时的等离子体密度只达到抑制逃逸电子雪崩所需理论阈值密度的20％左右。继续提高注气量并不能有效增加等离子体密度，反而会影响真空泵系统安全运行。而且大量杂质注入快速关断等离子体时会感应出很高的环向电场，反而容易导致逃逸电流形成。现阶段的逃逸电流研究实验中，主动注入大量杂质触发破裂甚至成为了产生逃逸电流平台的有效方法。RMP线圈形成的磁扰动强度随着距离的增加迅速衰减。加上等离子体的屏蔽效应，RMP线圈在等离子体内部形成的磁扰动会显著减弱。因此在不同托卡马克装置上利用RMP线圈施加磁扰动抑制逃逸电流的实验中，获得的实验结果存在较大差别，无法可靠抑制破裂期间逃逸电流的形成。
未来大型托卡马克装置发生等离子体破裂时，能否用现有方法抑制逃逸电子形成，有效缓解高能逃逸电子轰击造成的危害还无定论。这就向本领域的研究人员提出了一个崭新的课题，如何在逃逸电流形成前有效增强等离子体内的磁扰动，引起逃逸电子种子快速输运损失，阻止逃逸电子加速到更高能量，缓解等离子体破裂时逃逸电子对装置的损害。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种通过气体注入增强磁场扰动增加逃逸电子输运损失的方法以及实现该方法的气体注入装置，可以抑制托卡马克等离子破裂时逃逸电流的形成，避免高能逃逸电子束对真空室部件的损害。
为达到上述技术目的，本发明采取如下技术方案：
基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法，包括：
在托卡马克真空室上安装气体注入装置，使气体注入装置尽可能靠近等离子体，所述气体注入装置具有开关阀；
将需要注入的气体预先装载到气体注入装置中；
将气体注入装置的开关阀触发控制端连接到托卡马克中央控制系统；在破裂预警系统监测到等离子体稳定运行时，托卡马克中央控制系统不触发开关阀，气体注入装置不开启；在破裂预警系统监测到等离子体即将破裂时，托卡马克中央控制系统触发开关阀开启气体注入装置，气体注入装置向等离子体内注入气体。
进一步地，所述开关阀的动作时间小于0.1ms。
进一步地，在等离子体即将破裂时，托卡马克中央控制系统还根据等离子体的放电参数，控制向等离子体内注入气体的气体量。
进一步地，所述气体是托卡马克工作气体或者惰性气体或者托卡马克工作气体与惰性气体组成的混合气体。
进一步地，所述的气体注入装置为一个或至少2个，所述气体注入装置安装在真空室的任意环向或极向位置。
本发明还提供一种托卡马克气体注入装置，包括气体存储部件、开关阀、注入管口，所述气体存储部件位于所述真空室室外，所述开关阀连接在所述气体存储部件与注入管口之间，且所述开关阀的触发端连接至托卡马克中央控制系统。
进一步地，所述托卡马克气体注入装置的注入管口垂直于所述等离子体。
进一步地，所述托卡马克气体注入装置的气体存储部件为不锈钢腔体，所述注入管口为拉瓦尔喷嘴。
进一步地，所述托卡马克气体注入装置的开关阀为具有流量调节功能的电磁阀，所述电磁阀的动作时间小于0.1ms，所述电磁阀的阀瓣开度受托卡马克中央控制系统控制从而调节注入到等离子体内的气体量。
本发明的工作原理是：托卡马克的破裂预警系统对等离子破裂进行监测，当等离体子即将发生破裂时，托卡马克中央控制系统控制开关阀在等离子体破裂前开启，向等离子体注入气体，进入等离子体内的气体使等离子体发生局部冷却，形成局部电流扰动，局部电流扰动增强了托卡马克内部磁场的扰动，从而增强等离子体内逃逸电子输运损失，降低逃逸电子产生率，避免破裂时形成逃逸电流，进而避免逃逸电流束轰击托卡马克真空室壁损伤壁材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是
本发明的基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法及装置能更好地避免高能逃逸电子对装置壁造成损伤，保障等离子体破裂过程托卡马克装置的安全。同时，采用本发明所述的基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法增强逃逸电子输运损失的同时，也可采用MGI等方法抑制逃逸电子产生，二者相互配合，可以更好地避免高能逃逸电子对装置壁造成损伤，保障破裂过程托卡马克装置的安全。
附图说明
本发明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，在附图中：
图1是未采取本发明的方法时托卡马克等离子体破裂形成逃逸电流示意图；
图2是采取本发明的方法时托卡马克等离子体破裂形成逃逸电流示意图；
图3是超声分子束注入阀门向托卡马克真空室注入气体的示意图；
图4为本发明的工作流程示意图；
图中，1-真空室，2-等离子体，3-气体存储部件，4-开关阀，5-注入管口，6-托卡马克中央控制系统，7-气体。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
实施例1
本实施方式请参见图1、图2及图4。
本实施方式提供的基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法，具体包括以下步骤：
101、在托卡马克真空室上安装气体注入装置，使气体注入装置尽可能靠近等离子体；具体而言，在具体实施中，该气体注入装置可以为一个或至少2个，安装位置可以是在真空室的任意环向或极向位置，当设置有多余2个的气体注入装置时，该气体注入装置均匀地安装在真空室的任意环向或极向位置。气体注入装置尽量靠近等离子体，能减少气体从气体注入装置到等离子体的路程，缩短增强等离子磁扰动所需的时间。
102、将需要注入的气体预先装载到注入装置中；具体而言，将需要的气体在托卡马克运行之前装载到气体注入装置中。其中，气体可以是托卡马克工作气体，也可以是惰性气体，也可以是托卡马克工作气体与惰性气体组成的混合气体，该混合气体中托卡马克工作气体与惰性气体的配比可以是任意配比，该惰性气体可以为氩气或氦气。
103、将注入装置的开关阀触发控制端连接到托卡马克中央控制系统；托卡马克的破裂预警系统对破裂进行监测，在等离子体稳定运行时，托卡马克中央控制系统不触发开关阀，气体注入装置不开启；在等离子体即将破裂时，托卡马克中央控制系统触发开关阀开启气体注入装置，气体注入装置向等离子体内注入气体，进入等离子体内的气体使等离子体发生局部冷却，形成局部电流扰动，等离子体电流扰动引起磁场扰动，磁场扰动引起的逃逸电子损失率大于产生率，从而降低逃逸电子产生率，增强等离子体内逃逸电子输运损失，则破裂时逃逸电流形成被有效抑制。具体而言，破裂预警系统及托卡马克中央控制系统是已经装载在托卡马克装置上的现有系统，该破裂预警系统监测等离子体即将发生的破裂，预警的时间通常提前5～10ms，例如当破裂预警系统监测到等离子体将在5ms后发生破裂时，则托卡马克中央控制系统立即做出响应，开启开关阀在等离子体破裂前将气体注入等离子体内。
其中，在103步骤中，托卡马克中央控制系统触发开关阀开启气体注入装置时，该开关阀的动作时间小于0.1ms。具体而言，破裂预警系统的破裂预警时间为5ms左右，而开关阀开启后气体传播到等离子体，引起足够的扰动，需要时间为3～4ms，并且因气体注入形成的磁扰动幅度随时间是先增大后减弱，因此开关阀的动作时间小于0.1ms时能满足快速开启的需求，令破裂时等离子体内获得更加足够的磁扰动幅度。
其中，开关阀具体可以为流量调节阀，用于调节气体注入装置注入的气体量；这样，在103步骤中，在等离子体即将破裂时，托卡马克中央控制系统触发开关阀开启气体注入装置的同时，还控制开关阀调节注入到等离子体内的气体流量，因对于特定托卡马克装置以及等离子体放电参数，通过气体注入所能提高的磁扰动幅度与注入量有关，因而根据等离子体的放电参数和托卡马克装置，调整相应的气体流量，从而增强磁扰动幅度，等离子体的放电参数用等离子体电流和等离子体密度进行评定。例如，等离子体电流为0.2MA，等离子体密度密度为1.0×1019m-3时，注入数量为2.0～4.0×1019的H2分子可以获得较好的抑制效果。
采用基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法增强逃逸电子输运损失的同时，也可采用MGI等方法抑制逃逸电子产生，二者相互配合，可以更好地避免高能逃逸电子对装置壁造成损伤，保障破裂过程托卡马克装置的安全。
为清楚地说明采取该方法后的等离子体逃逸电流的抑制效果，本实施方式以图1及图2作为对比，其中，图1是未采取该方法时托卡马克等离子体破裂形成逃逸电流示意图，图2是采取该方法时托卡马克等离子体破裂时逃逸电流的形成示意图，图1中，Iplasma为等离体电流，Eloop为环向电场，Gre为逃逸电子产生率，Nre是等离子体内的逃逸电子数量；图2中I'plasma为等离体电流，E'loop为环向电场，G're为逃逸电子产生率，N're是等离子体内的逃逸电子数量，R're是逃逸电子损失率；
图1中，破裂前等离子体电流Iplasma达到兆安量级，环向电场Eloop为1.5V/m；等离子体在t1时刻发生破裂，等离子体电流Iplasma从时刻t1快速下降，环向电场Eloop则迅速上升到100V/m，等离子体内电子发生逃逸的能量阈值降低，雪崩效应增强，逃逸电子产生率Gre显著增大，导致破裂时等离子体内的逃逸电子数量Nre迅速增加，这些逃逸电子被磁场约束成为逃逸电流，表现为等离子体电流Iplasma下降到时刻t2后停止下降，形成了1MA的电流平台。
图2中，同样地，等离子体在t1时刻发生破裂，在t1时刻前，气体注入装置向等离子体注入H2，增强了等离子体在破裂期间的磁扰动，可以看出逃逸电子损失率R're显著增加，逃逸电子产生率G're变小，等离子体内的逃逸电子数量N're维持在较低水平，表现为等离子体电流I'plasma持续下降，等离子体电流I'plasma没有形成逃逸电流平台，有效缓解了等离子体破裂期间逃逸电子对托卡马克装置的损伤。
实施例2
请参照图3，该实施方式提供了实现基于气体7注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法的托卡马克气体注入装置，该气体注入装置包括气体存储部件3、开关阀4、注入管口5，气体存储部件3位于真空室1室外，该气体存储部件3尽可能地靠近真空室，以缩短气体从气体存储部件3到等离子体2的注入距离，注入管口5位于真空室内，开关阀4连接在气体存储部件3与注入管口5之间，且开关阀4的触发端连接至托卡马克中央控制系统6，该托卡马克中央控制系统6为现有托卡马克装置的中央控制系统，气体存储部件3中存储有托卡马克工作气体7或惰性气体7；其中，该气体注入装置安装在真空室3的下窗，但是也可以根据不同托卡马克的特点，将该气体注入装置安装在真空室3的不同环向和极向位置，气体存储部件3为不锈钢腔体，注入管口5为拉瓦尔喷嘴5，该拉瓦尔喷嘴5可以将气体7进行加速为超声分子束，并且该拉瓦尔喷嘴5的方向根据实际需求垂直于等离子体2或与等离子体2成其他角度，例如60od的切角，这样通过改变拉瓦尔喷嘴5的方向调整气体7的注入角度；同时，与普通喷嘴注入的分子束相比，经过拉瓦尔喷嘴5后气体形成的超声分子束，其气体传播速度更快，进入等离子体的深度更深，具有更高的速度、更好的定向性以及更大的束强度，从而使进入等离子体内的气体造成的磁场扰动更强。
优选地，开关阀4为具有流量调节功能的电磁阀，该电磁阀的控制端连接到托卡马克中央控制系统6，作为优选，该电磁阀的动时间小于0.1ms，且电磁阀受托卡马克中央控制系统6的控制从而调节注入气体7的流量；具体而言，托卡马克中央控制系统6既能控制电磁阀的阀门开闭，也能控制电磁阀的阀瓣开度达到控制注入气体7量的目的。而托卡马克中央控制系统6控制电磁阀的开闭及阀瓣的开度是本领域中已经很成熟的技术，在此不再赘述。
使用该气体注入装置时，托卡马克破裂预警系统对等离子体2破裂进行监测，当检测到等离子体2即将发生破裂时，托卡马克中央控制系统6向电磁阀发出控制信号，电磁阀的阀门在0.1ms之内开启，通过拉瓦尔喷嘴5向等离子体2内迅速注入气体7，托卡马克中央控制系统6根据托卡马克装置特点及等离子放电参数，调整电磁阀的阀瓣开度，从而调整注入到等离子体2内的气体7流量大小。当托卡马克破裂预警系统监测到等离子体2稳定运行时，托卡马克中央控制系统6向电磁阀发出控制信号，电磁阀的阀门不开启。
实际使用中，该托卡马克气体注入装置可以作为托卡马克破裂防护总系统的一个子系统，在破裂将要发生时接受托卡马克中央控制系统6的动作命令投入工作即可。
本实施例叙述的较为具体和详细，也给出了实施例的一些优选措施，但是，该实施例和优选措施并不能作为对本发明的限制，本领域的技术人员看到该方案时，做出的其他变形和等同手段的替换，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法，其特征在于：包括：
在托卡马克真空室上安装气体注入装置，使气体注入装置尽可能靠近等离子体，所述气体注入装置具有开关阀；
将需要注入的气体预先装载到气体注入装置中；
将气体注入装置的开关阀触发控制端连接到托卡马克中央控制系统；在破裂预警系统监测到等离子体稳定运行时，托卡马克中央控制系统不触发开关阀，气体注入装置不开启；在破裂预警系统监测到等离子体即将破裂时，托卡马克中央控制系统触发开关阀开启气体注入装置，气体注入装置向等离子体内注入气体。
2.根据权利要1所述的基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法，其特征在于：所述开关阀的动作时间小于0.1ms。
3.根据权利要1所述的基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法，其特征在于：在等离子体即将破裂时，托卡马克中央控制系统还根据等离子体的放电参数，控制向等离子体内注入气体的气体量。
4.根据权利要1所述的基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法，其特征在于：所述气体是托卡马克工作气体或者惰性气体或者托卡马克工作气体与惰性气体组成的混合气体。
5.根据权利要1所述的基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法，其特征在于：所述气体注入装置为一个或至少2个，所述气体注入装置安装在真空室的任意环向或极向位置。
6.实现权利要求1-5任意一项所述的基于气体注入增强磁扰动抑制逃逸电流的方法的托卡马克气体注入装置，其特征在于：包括气体存储部件、开关阀、注入管口，所述气体存储部件位于所述真空室室外，所述开关阀连接在所述气体存储部件与注入管口之间，且所述开关阀的触发端连接至托卡马克中央控制系统。
7.根据权利要求6所述的气体注入装置，其特征在于，所述注入管口垂直于等离子体。
8.根据权利要求6所述的气体注入装置，其特征在于：所述气体存储部件为不锈钢腔体，所述注入管口为拉瓦尔喷嘴。
9.根据权利要求6所述的气体注入装置，其特征在于：所述开关阀为具有流量调节功能的电磁阀，所述电磁阀的动作时间小于0.1ms，所述电磁阀的阀瓣开度受托卡马克中央控制系统控制从而调节注入到等离子体内的气体量。
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