CN112530606A - 一种自动杂质气体加速混合系统及气体加速混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核聚变等离子体控制技术，具体公开一种自动杂质气体加速混合系统及气体加速混合控制方法，系统包括两种送气气路和混合送气气路，送气气路包括减压阀、隔离阀、储气瓶、放气阀和抽气阀、送气阀和送气微调阀，以及截止阀；混合送气气路包括隔离阀、混合段气瓶、放气阀和抽气阀、送气阀和送气微调阀、差压压力计和安全阀。打开每一路气源，设定氘气压强值，使气体进入储气瓶后送气至截止阀，先打开压强小的送气气路中的截止阀，使气体在混合段气瓶均匀混合后经过安全阀流出。混合气体经由超声分子束喷出，通过分子碰撞过程，使得杂质分子被加速到千米量级，能够抵达等离子体截面边界内较深的台基区域，达到控制边缘局域模的效果。

Description

一种自动杂质气体加速混合系统及气体加速混合控制方法

技术领域

本发明属于核聚变等离子体控制技术，具体涉及一种应用于托卡马克装置中等离子体边缘局域模控制的自动杂质气体加速混合系统及气体加速混合控制方法。

背景技术

受控核聚变旨在彻底解决人类的能源问题。目前，托卡马克聚变装置运行在高约束模式(High Confinement mode,或者H模)下具有高能量收益和经济效益，托卡马克聚变装置的科学可行性也得到验证。因此，高约束模的实现和长期维持对聚变装置来说至关重要。但是，装置进入高约束模式后，伴随着边界台基区域的不稳定性(主要是边缘局域模)，这种不稳定性将向外大量喷射粒子和能量，并沉积在面向等离子的材料上，造成部件损坏，影响放电，因此必须对边缘局域模加以控制。

国际上针对边缘局域模的控制方法开展了大量的研究，杂质气体注入是其中一种。研究表明非活性杂质气体(除燃料气体以外的，在放电中都称为杂质气体，如氦、氖、氩、氪等气体)注入能影响等离子体边缘台基区域参数，从而影响边缘局域模。但是目前国际各装置均通过普通送气系统将杂质气体扩散进入装置，这样杂质气体速度低，难以到达等离子体较深的台基区域，而与边缘局域模直接作用。因此，实验过程往往需要的杂质气体量大才能对边缘局域模产生作用，而大量杂质气体注入会降低高约束模式的约束性能。因此，为了利用杂质气体控制边缘局域模同时维持高约束性能，需要灵活的杂质气体控制手段，使得杂质气体注入速度足够高，从而能达到等离子体台基区域，并且能够灵活控制杂质气体的量。

核工业西南物理研究院研制超声分子束加料专利技术(ZL.200510105647.1以及ZL.201310301066.x)能够使超声分子束加料的燃料氘气通常达到2000m/s的定向速度，但即使通过该系统注入的氖气，氪气等速度也仅百米每秒的量级，难以深入等离子体台基区。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动杂质气体加速混合系统及气体加速混合控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种自动杂质气体加速混合系统，包括A气送气气路和B气送气气路，以及将两路气路汇集的混合送气气路，所述的A气送气气路和B气送气气路结构相同，分别与气源连接，所述的A气送气气路上沿着气体输送的方向依次设有减压阀A、隔离阀A、储气瓶A、放气阀A和抽气阀A、送气阀A和送气微调阀A，以及截止阀A；所述的B气送气气路上沿着气体输送的方向依次设有减压阀B、隔离阀B、储气瓶B、放气阀B和抽气阀B、送气阀B和送气微调阀B，以及截止阀B；

A气送气气路和B气送气气路在各自的截止阀后端汇合，并且连接所述的混合送气气路，所述的混合送气气路包括沿着送气方向依次安装的隔离阀C、混合段气瓶、放气阀C和抽气阀C、送气阀C和送气微调阀C、差压压力计和安全阀；

所述的放气阀A和抽气阀A分别安装在与A气送气管路通过三通连接的两路支管上；所述的放气阀B和抽气阀B分别安装在与B气送气管路通过三通连接的两路支管上；

所述的差压压力计和安全阀、送气阀C和送气微调阀C、送气阀A和送气微调阀A、送气阀B和送气微调阀B，分别通过并联方式安装在所在管路上。

所述的放气阀A、抽气阀A、放气阀B、抽气阀B、放气阀C、抽气阀阀C均为常闭气动阀；

所述的送气阀A、送气阀B和送气阀C为常闭气动阀，所述的送气微调阀A、送气微调阀B和送气微调阀C为常闭微型电磁阀。

所述的减压阀A和隔离阀A之间、隔离阀A和储气瓶A之间的管路上均安装压力传感器；所述的减压阀B和隔离阀B之间、隔离阀B和储气瓶B之间的管路上均安装压力传感器。

所述的隔离阀C和混合段气瓶之间安装压力传感器，所述的混合送气气路上的送气末端安装压力传感器。

所述的差压压力计为差压式压力传感器，安全阀为常开气动阀。

所述的压力传感器的测量范围为1-80bar，精度为0.1bar。

一种气体加速混合控制方法，基于所述的自动杂质气体加速混合系统，其中A气为氘气，B气为氩气；具体步骤如下

1)打开氘气气源，打开减压阀A，将减压阀气压设定为预设的氘气压强值；

2)打开隔离阀A，使得氘气进入储气瓶A，此时放气阀A和抽气阀A关闭，送气阀A打开，微调送气阀A打开；截止阀A处于关闭状态；

3)针氩气送气气路进行步骤1)-步骤2)同样的操作；

4)根据氘气送气气路和氩气送气气路中的预设气体压强大小，先打开压强小的送气气路中的截止阀；

5)打开隔离阀C，使得氩气和氘气在混合段气瓶均匀混合；

6)关闭截止阀A及截止阀B；

7)打开送气阀C，使混合气流通过，并打开微调送气阀C使得混合气体达到预设压强，经过安全阀流出；

8)当差压压力计测量到数值，表明混合系统或注入器存在气体泄露，此时关闭安全阀，断开该混合系统的气体流出通道。

当需要调节氩气和氘气混合气体输出压强时，在步骤8)之后进行

步骤9)打开放气阀C，混合气体压强达到所需压强时，关闭放气阀C；若仍需升高混合气体压强，则重复步骤1)-步骤8)的操作。

当目标混合气体的压强变化时，需要重新确定氩气和氘气压强；

当氘气新预设压强低于原压强，则步骤9)之后进行步骤10)打开放气阀A4，使得氘气压强降低至预设值；

当氘气新预设压强高于原压强，则步骤9)之后进行步骤1)-步骤2)的操作，将氘气压强提升至预设压强；

当氩气新预设压强低于原压强，则步骤9)之后进行步骤11)打开放气阀B14，使得氩气压强降低至预设值；

当氩气新预设压强高于原压强，则步骤9)之后进行步骤3)的操作。

利用所述的自动杂质气体加速混合系统，可以将氩气加速后注入托卡马克中等离子体边界面内，具体步骤为：

首先确定混合气体比例，并分别确定氩气与氘气的预设压强；

然后根据确定的氩气和氘气的预设压强，重复上述步骤1)-步骤8)形成氩气与氘气的混合气体；

之后混合气体通过气路传输至关闭的超声分子束注入器，等待注入；

利用脉冲控制器给超声分子束注入器输入脉冲电压，将其打开，混合系统送出的混合气体通过超声分子束注入器注入至真空管道，氩原子在与氘气分子的碰撞中被加速进入托卡马克真空室内，并穿透等离子体边界，到达高约束模式放电时的台基区域。

本发明的显著效果如下：

本发明将杂质气体与燃料气体氘气或氢气适当比例混合，经由超声分子束喷出，通过分子碰撞过程，使得杂质分子被加速到千米量级，能够抵达等离子体截面边界内较深的台基区域，从而直接与边缘局域模作用，达到控制边缘局域模的效果。

本方法通过气体混合系统灵活地获取不同种类及不同比例的杂质气体，调节杂质气体的定向速度及在等离子体中的注入深度，使得杂质气体能够在等离子体中较深的台基区域作用，控制边缘局域模。

本方法可通过选用不同杂质气体类型，从而控制注入等离子体的有效电荷以及注入深度，实现对边缘局域模的不同控制效果。

本方法可通过调节杂质气体与工作气体的比例，从而控制注入等离子体的杂质量和注入深度，定量实现低台基区域的参数改变，从而控制边缘局域模。

本方法可通过调节超声分子束注入系统的压强和脉宽，从而调节注入等离子体中的混合气体总量即杂质气体量，从而实现对边缘局域模的不同控制效果。

附图说明

图1为自动杂质气体加速混合系统示意图；

图2为自动杂质气体加速混合系统将氩气加速后注入托卡马克中等离子体边界面的原理图；

图中：1.减压阀A；2.隔离阀A；3储气瓶A；4.放气阀A；5.抽气阀A；6.送气阀A；7.送气微调阀A；8.截止阀A；9.氘气气源；10.氩气气源；

11.减压阀A；12.隔离阀A；13.储气瓶A；14.放气阀A；15.抽气阀A；16.送气阀A；17.送气微调阀A；18.截止阀A；

19.隔离阀C；20.混合段气瓶；21.放气阀C；22.抽气阀C；23.送气阀C；24.送气微调阀C；25.差压压力计；26.安全阀；

102.混合系统；103.脉冲控制器；104.超声分子束注入器；105.真空管道；106.托卡马克真空室；107.等离子体边界。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，自动杂质气体加速混合系统包括氘气送气气路和氩气送气气路，以及将两路气路汇集的混合送气气路。

氘气送气气路和氩气送气气路的结构完全相同，只不过在气源处分别连接氘气气源9和氩气气源10。

氘气送气气路包括与气源连接的管路，管路上沿着送气方向依次安装减压阀A1、隔离阀A2、储气瓶A3、放气阀A4和抽气阀A5、送气阀A6和送气微调阀A7，以及截止阀A8；

氘气送气气路上的减压阀A1和隔离阀A2之间、氘气送气气路上的隔离阀A2和储气瓶A3之间的管路上均安装压力传感器；

放气阀A4和抽气阀A5分别安装在与送气管路通过三通连接的两路支管上，放气阀A4和抽气阀A5均为常闭气动阀；

送气阀A6和送气微调阀A7分别安装在两路并联管路上，送气阀A6为常闭气动阀，送气微调阀A7为常闭微型电磁阀；

同样氩气送气气路包括与气源连接的管路，管路上沿着送气方向依次安装减压阀B11、隔离阀B12、储气瓶B13、放气阀B14和抽气阀B15、送气阀B16和送气微调阀B17，以及截止阀B18；连接方式与氘气送气气路相同。

以上送气气路分别与氘气气源9和氩气气源10连接形成氘气送气气路和氩气送气气路；汇合之后与后端的混合送气气路连接；

混合送气气路包括沿着送气方向依次安装的隔离阀C19、混合段气瓶20、放气阀C21和抽气阀C22、送气阀C23和送气微调阀C24、差压压力计25和安全阀26；

混合送气气路上的隔离阀C19和混合段气瓶20之间安装压力传感器；

混合送气气路上的送气末端安装压力传感器；

混合送气气路上的放气阀C21和抽气阀C22与送气气路上的安装一致；

混合送气气路上的送气阀C23和送气微调阀C24与送气气路上的安装一致；

差压压力机25和安全阀26分别安装在并联管路上；差压压力机25为差压式压力传感器，安全阀26为常开气动阀；

需要指出的是差压压力计25和安全阀26的并联管路、混合送气气路上的送气阀C23和送气微调阀C24的并联管路、送气阀A6和送气微调阀A7的并联管路、送气阀B16和送气微调阀B17的并联管路，分别各自独立，均是独立安装在气路管道上。

所有压力传感器的测量范围为1-80bar，精度为0.1bar。

利用上述系统进行氘气与氩气固定比例混合。

针对氘气送气气路：

1)打开氘气气源9，打开减压阀A1，将减压阀气压设定为预设的氘气压强值；

2)打开隔离阀A2，使得氘气进入储气瓶A3，此时放气阀A4和抽气阀A5关闭，送气阀A6打开，微调送气阀A7打开；截止阀A8处于关闭状态。

氘气经过送气阀A6输出，经过微调送气阀A7调节，使得气压达到预设，在截止阀A8前等待注入；

3)针氩气送气气路进行步骤1)-步骤2)同样的操作，使得氩气按照预设压强到达氩气送气气路中的截止阀B18前等待注入；

4)根据氘气送气气路和氩气送气气路中的预设气体压强大小，先打开压强小的送气气路中的截止阀(如氩气压强大于氘气压强，则先打开氘气送气气路中的截止阀A8，然后打开氩气送气气路中的截止阀B8)

5)打开隔离阀C19，使得氩气和氘气在混合段气瓶均匀混合；

6)关闭截止阀A8及截止阀B18；

7)打开送气阀C23，使混合气流通过，并打开微调送气阀C24使得混合气体达到预设压强，经过安全阀26流出。

该系统出气端与超声分子束注入器连接，经过安全阀26流出的气体流入超声分子束注入器。

8)当差压压力计25测量到数值，表明混合系统或注入器存在气体泄露，此时关闭安全阀26，断开该混合系统与超声分子束注入器之间的连接。

上述的预设气体压强值为工作气压最高值，因此只需要降低混合气体气压，即可将混合气体输出压强调节至所需压强。仅此当需要调节氩气和氘气混合气体输出压强时，在步骤8)之后进行步骤9)；

步骤9)打开放气阀C21，混合气体压强达到所需压强时，关闭放气阀C21；若仍需升高混合气体压强，则重复步骤1)-步骤8)的操作。

当目标混合气体的压强变化时，需要重新确定氩气和氘气压强；

当氘气新预设压强低于原压强，则步骤9)之后进行步骤10)打开放气阀A4，使得氘气压强降低至预设值；

当氘气新预设压强高于原压强，则步骤9)之后进行步骤1)-步骤2)的操作，将氘气压强提升至预设压强；

当氩气新预设压强低于原压强，则步骤9)之后进行步骤11)打开放气阀B14，使得氩气压强降低至预设值；

当氩气新预设压强高于原压强，则步骤9)之后进行步骤3)的操作。

以上系统可以更换气源种类，以便不同气体进行混合，方法与上述步骤相同。

例如更换杂质气体，将氖气与氘气固定比例混合。

另外，利用上述混合系统102，可以将氩气加速后注入托卡马克中等离子体边界面107内。

具体步骤如下：

首先确定混合气体比例，并分别确定氩气与氘气的预设压强；

然后根据确定的氩气和氘气的预设压强，重复上述步骤1)-步骤8)形成氩气与氘气的混合气体；

之后混合气体通过气路传输至关闭的超声分子束注入器104，等待注入；

如图2所示，最后利用脉冲控制器103给超声分子束注入器104输入脉冲电压，将其打开，混合系统102送出的混合气体通过超声分子束注入器104注入至真空管道105，氩原子与氘气分子从超声分子束注入器104到真空管道105的扩张过程中能够充分碰撞，使得氩原子在碰撞后被加速(高于纯氩气的速度)进入托卡马克真空室106内，并穿透等离子体边界107，到达高约束模式放电时的台基区域。

Claims (10)

1.一种自动杂质气体加速混合系统，包括A气送气气路和B气送气气路，以及将两路气路汇集的混合送气气路，其特征在于：所述的A气送气气路和B气送气气路结构相同，分别与气源连接，所述的A气送气气路上沿着气体输送的方向依次设有减压阀A(1)、隔离阀A(2)、储气瓶A(3)、放气阀A(4)和抽气阀A(5)、送气阀A(6)和送气微调阀A(7)，以及截止阀A(8)；所述的B气送气气路上沿着气体输送的方向依次设有减压阀B(11)、隔离阀B(12)、储气瓶B(13)、放气阀B(14)和抽气阀B(15)、送气阀B(16)和送气微调阀B(17)，以及截止阀B(18)；

A气送气气路和B气送气气路在各自的截止阀后端汇合，并且连接所述的混合送气气路，所述的混合送气气路包括沿着送气方向依次安装的隔离阀C(19)、混合段气瓶(20)、放气阀C(21)和抽气阀C(22)、送气阀C(23)和送气微调阀C(24)、差压压力计(25)和安全阀(26)；

所述的放气阀A(4)和抽气阀A(5)分别安装在与A气送气管路通过三通连接的两路支管上；所述的放气阀B(14)和抽气阀B(15)分别安装在与B气送气管路通过三通连接的两路支管上；

所述的差压压力计(25)和安全阀(26)、送气阀C(23)和送气微调阀C(24)、送气阀A(6)和送气微调阀A(7)、送气阀B(16)和送气微调阀B(17)，分别通过并联方式安装在所在管路上。

2.如权利要求1所述的一种自动杂质气体加速混合系统，其特征在于：

所述的放气阀A(4)、抽气阀A(5)、放气阀B(14)、抽气阀B(15)、放气阀C(21)、抽气阀C(22)均为常闭气动阀；

所述的送气阀A(6)、送气阀B(16)和送气阀C(23)为常闭气动阀，所述的送气微调阀A(7)、送气微调阀B(17)和送气微调阀C(24)为常闭微型电磁阀。

3.如权利要求2所述的一种自动杂质气体加速混合系统，其特征在于：所述的减压阀A(1)和隔离阀A(2)之间、隔离阀A(2)和储气瓶A(3)之间的管路上均安装压力传感器；所述的减压阀B(11)和隔离阀B(12)之间、隔离阀B(12)和储气瓶B(13)之间的管路上均安装压力传感器。

4.如权利要求2所述的一种自动杂质气体加速混合系统，其特征在于：所述的隔离阀C(19)和混合段气瓶(20)之间安装压力传感器，所述的混合送气气路上的送气末端安装压力传感器。

5.如权利要求2所述的一种自动杂质气体加速混合系统，其特征在于：所述的差压压力计(25)为差压式压力传感器，安全阀(26)为常开气动阀。

6.如权利要求3或4或5所述的一种自动杂质气体加速混合系统，其特征在于：所述的压力传感器的测量范围为1-80bar，精度为0.1bar。

7.一种气体加速混合控制方法，其特征在于：基于所述的自动杂质气体加速混合系统，其中A气为氘气，B气为氩气；具体步骤如下

1)打开氘气气源(9)，打开减压阀A(1)，将减压阀气压设定为预设的氘气压强值；

2)打开隔离阀A(2)，使得氘气进入储气瓶A(3)，此时放气阀A(4)和抽气阀A(5)关闭，送气阀A(6)打开，微调送气阀A(7)打开；截止阀A(8)处于关闭状态；

3)针氩气送气气路进行步骤1)-步骤2)同样的操作；

4)根据氘气送气气路和氩气送气气路中的预设气体压强大小，先打开压强小的送气气路中的截止阀；

5)打开隔离阀C(19)，使得氩气和氘气在混合段气瓶均匀混合；

6)关闭截止阀A(8)及截止阀B(18)；

7)打开送气阀C(23)，使混合气流通过，并打开微调送气阀C(24)使得混合气体达到预设压强，经过安全阀(26)流出；

8)当差压压力计(25)测量到数值，表明混合系统或注入器存在气体泄露，此时关闭安全阀(26)，断开该混合系统的气体流出通道。

8.如权利要求7所述的一种气体加速混合控制方法，其特征在于：当需要调节氩气和氘气混合气体输出压强时，在步骤8)之后进行

步骤9)打开放气阀C(21)，混合气体压强达到所需压强时，关闭放气阀C(21)；若仍需升高混合气体压强，则重复步骤1)-步骤8)的操作。

9.如权利要求8所述的一种气体加速混合控制方法，其特征在于：当目标混合气体的压强变化时，需要重新确定氩气和氘气压强；

当氘气新预设压强低于原压强，则步骤9)之后进行步骤10)打开放气阀A(4)，使得氘气压强降低至预设值；

当氘气新预设压强高于原压强，则步骤9)之后进行步骤1)-步骤2)的操作，将氘气压强提升至预设压强；

当氩气新预设压强低于原压强，则步骤9)之后进行步骤11)打开放气阀B(14)，使得氩气压强降低至预设值；

当氩气新预设压强高于原压强，则步骤9)之后进行步骤3)的操作。

10.如权利要求7所述的一种气体加速混合控制方法，其特征在于：利用所述的自动杂质气体加速混合系统(102)，可以将氩气加速后注入托卡马克中等离子体边界面(107)内，具体步骤为：

首先确定混合气体比例，并分别确定氩气与氘气的预设压强；

然后根据确定的氩气和氘气的预设压强，重复上述步骤1)-步骤8)形成氩气与氘气的混合气体；

之后混合气体通过气路传输至关闭的超声分子束注入器(104)，等待注入；

利用脉冲控制器(103)给超声分子束注入器(104)输入脉冲电压，将其打开，混合系统(102)送出的混合气体通过超声分子束注入器(104)注入至真空管道(105)，氩原子在与氘气分子的碰撞中被加速进入托卡马克真空室(106)内，并穿透等离子体边界(107)，到达高约束模式放电时的台基区域。

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