CN114645261B - 一种用于聚变装置内部腔室硼化的预处理装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及聚变装置的硼化技术，具体公开了一种用于聚变装置内部腔室硼化的预处理装置及其应用。本发明通过在聚变装置的外部设置预电离室对硼粉进行预电离，从而避免了对聚变装置真空室内部真空度等条件稳定性的影响，同时杜绝了污染物的带入，能够对聚变装置真空室的已有硼膜随时进行补强。预电离后的硼离子在进入聚变装置真空室内部后，在聚变反应放电的同时就能够进行对真空室内壁的硼化，无需额外的硼化步骤，简化了操作步骤，可满足未来聚变装置将运行很长的脉冲(即准稳态)或者运行于稳态放电的需要。
Description
技术领域
本发明涉及聚变装置的硼化技术，尤其涉及一种用于聚变装置内部腔室硼化的预处理装置。
背景技术
对聚变装置腔室内的等离子体杂质离子进行抑制，是实现受控热核聚变必须解决的重大问题之一。托卡马克核聚变装置物理实验中，高温等离子体与装置腔室内壁发生碰撞作用，使得腔壁释放各种杂质进入到装置腔室内的等离子体中，杂质会损耗等离子体的能量，从而造成等离子体能量的巨大损失。在核聚变真空腔室内壁生长硼膜层，可有效抑制内壁中的金属杂质和氧、碳杂质逸出，有效防止了内壁材料作为杂质被碰撞后进入到腔室内部并混入到等离子体中的几率，减小等离子体放电能量损失，大大改善等离子性能。
这种保护方法的发展形成了一种称为硼化的技术，通过采用硼氢化合物如B2H6、B10H14、有机硼化物如B(CH3)3或固态硼粉作为硼源，以化学气相沉积的方式在相应的腔室材料内壁上生长一层硼膜。
然而，在进行硼化时，需要对聚变反应的等离子体放电进行中止，且硼源注入聚变装置内部前需开腔破坏装置内部稳定的真空环境。如此则不能满足将来的聚变装置将运行很长的脉冲(即准稳态)或者运行于稳态放电的需要。
因此，急需开发一种不破坏聚变装置真空稳定状态的硼化技术。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于聚变装置内部腔室硼化的预处理装置，通过在聚变装置的外部设置预处理装置实现对硼粉的预电离，以解决现有技术中硼粉直接加入至聚变装置真空室内再电离硼化，从而破坏真空室内真空稳定性的问题。
为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种用于聚变装置内部腔室硼化的预处理装置，所述预处理装置包括预电离室、阀门与滤网；
所述预电离室设置在所述聚变装置外，在所述预电离室上设有硼粉注入口；
所述预电离室外绕有磁场线圈，用于产生轴向磁场。优选产生0.5T的轴向磁场，可对等离子体进行约束，增加等离子体密度，有助于硼粉的解离。
所述阀门设置在所述预电离室与所述聚变装置之间，用于联通二者空腔内环境，并控制预电离室中的气体进入聚变装置；
所述滤网设置在所述阀门的一侧，用于防止预电离室中未经电离的硼粉进入所述聚变装置。
作为优选，所述预电离室为差分腔。
作为优选，所述阀门为插板阀。
作为优选，所述滤网设置在所述阀门与所述预电离室之间，滤网的孔径＜50微米。
进一步地，所述预电离室外设有射频电源。
进一步地，所述预处理装置还包括用于调节所述预电离室气压的抽真空设备。
进一步地，所述预电离室与所述聚变装置的空腔容积比例为1:250-1:550,优选为1:300。
第二方面，本发明提供一种利用前述预处理装置对聚变装置真空室进行实时硼化的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)向预电离室内通入气体，并在抽真空设备的作用下，使预电离室气压为聚变装置真空室气压的100倍以上，利用射频电源在预电离室内产生稳定的等离子体；
(2)向预电离室内注入硼粉，使硼粉在等离子体作用下电离成硼离子；
(3)打开阀门，使电离后的硼离子在气压差的作用下扩散到聚变装置的真空室内；
(4)在聚变装置等离子体放电的条件下，使进入聚变装置的硼离子发生硼化。
在所述方法中，所采用的硼粉的粒径为50微米-300微米，优选为80微米，硼粉的注入速率为10mg/min-200mg/min，优选为100mg/min。
进一步地，所述气体为氢气、氦气或氩气。
本发明涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。
本发明的有益效果在于：
本发明通过在聚变装置的外部设置预电离室对硼粉进行预电离，从而避免了打开聚变装置再将硼源注入至装置内部时对聚变装置真空室内部真空度等条件稳定性的影响，同时杜绝了污染物的带入，能够对聚变装置真空室的已有硼膜随时进行补强。预电离后的硼离子在进入聚变装置真空室内部后，在聚变反应放电的同时就能够进行对真空室内壁的硼化，无需额外的硼化步骤，简化了操作步骤，可满足未来聚变装置将运行很长的脉冲(即准稳态)或者运行于稳态放电的需要。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述预处理装置的结构示意图；其中：1，聚变装置，2，预电离室，3，阀门，4，滤网，5，射频电源，6，磁场线圈。
具体实施方式
本发明提供了一种用于聚变装置内部腔室硼化的预处理装置，如图1所述，所述预处理装置包括预电离室、阀门与滤网；所述预电离室设置在所述聚变装置外，在所述预电离室上设有硼粉注入口；所述阀门设置在所述预电离室与所述聚变装置之间，用于联通二者空腔内环境，并控制预电离室中的气体进入聚变装置；所述滤网设置在所述阀门的一侧，用于防止预电离室中未经电离的硼粉进入所述聚变装置；所述预电离室外绕有磁场线圈，用于产生轴向磁场。
在本发明的一个具体实施方式中，所述预电离室为差分腔。差分腔相当于一个独立的气压环境，在此腔室进行硼粉的电离。
在本发明的一个具体实施方式中，所述阀门为插板阀，可有效隔离和调节气压，从而保持预电离室与聚变装置各自的气压状态。
作为一种优选方案，所述滤网设置在所述阀门与所述预电离室之间。
所述滤网的孔径小于硼粉的粒径，在本发明的具体实施方式中，所使用的硼粉粒径为50微米-300微米，故而所述滤网的孔径＜50微米。
进一步地，所述预电离室外设有射频电源，用于将预电离室中的气体形成等离子体。
进一步地，所述预电离室外绕有磁场线圈，可产生0.5T的轴向磁场，磁场对等离子体进行约束，增加等离子体密度，有助于硼粉的解离。
进一步地，所述预电离室设有抽真空设备，用于调节预电离室内的气压。
进一步地，所述预电离室与所述聚变装置的空腔容积比例为1:250-1:550，优选为1:300。
本发明进一步提供了所述预处理装置在对聚变装置真空室进行实时硼化的应用。
所述应用具体体现为一种对聚变装置真空室进行实时硼化的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)向预电离室内通入气体，并在抽真空设备的作用下，使预电离室气压为聚变装置真空室气压的100倍以上，利用13.56MHz射频电源在预电离室内产生稳定的等离子体；
(2)向预电离室内注入硼粉，使硼粉在等离子体作用下电离成硼离子；
(3)打开阀门，使电离后的硼离子在气压差的作用下扩散到聚变装置的真空室内；
(4)在聚变装置等离子体放电的条件下，使进入聚变装置的硼离子发生硼化。
其中，步骤(4)具体为：通过安装到聚变装置真空室上的可见光谱仪上检测硼离子及其含量，达到预设值之后关闭插板阀，在聚变装置等离子体放电的同时，实现对聚变装置真空室的实时硼化。
在本发明的具体实施方式中，所述硼粉的粒径为50微米-300微米，例如可以是50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米、150微米、200微米、250微米、300微米等，优选为80微米；硼粉的注入速率为10mg/min-200mg/min，例如可以是10mg/min、50mg/min、100mg/min、150mg/min、200mg/min，优选为100mg/min。
进一步地，所述气体为氢气、氦气或氩气。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明所述预处理装置的使用方法进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
在插板阀关闭状态下，向预电离室内通入氦气，控制气压为0.5Pa，随后打开13.56MHz射频电源，产生稳定的等离子体。之后，向其中注入纯度为99.99％、粒径为50微米的硼粉，注入速率为100mg/min。
开启插板阀，通过安装到聚变装置真空室上的可见光谱仪，可以看到明显的硼谱线，说明硼离子已经进入到聚变装置真空室，实现了硼化功能。
实施例2
在插板阀关闭状态下，向预电离室内通入氢气，控制气压为0.06Pa，随后打开13.56MHz射频电源，产生稳定的等离子体。之后，向其中注入纯度为99.99％、粒径为70微米的硼粉，注入速率为150mg/min。
开启插板阀，通过安装到聚变装置真空室上的可见光谱仪，可以看到明显的硼谱线，说明硼离子已经进入到聚变装置真空室，实现了硼化功能。
实施例3
在插板阀关闭状态下，向预电离室内通入氦气，控制气压为0.05Pa，随后打开13.56MHz射频电源，产生稳定的等离子体。之后，向其中注入纯度为99.99％、粒径为90微米的硼粉，注入速率为100mg/min。
开启插板阀，通过安装到聚变装置真空室上的可见光谱仪，可以看到明显的硼谱线，说明硼离子已经进入到聚变装置真空室，实现了硼化功能。
实施例4
在插板阀关闭状态下，向预电离室内通入氦气，控制气压为0.01Pa，随后打开13.56MHz射频电源，产生稳定的等离子体。之后，向其中注入纯度为99.99％、粒径为300微米的硼粉，注入速率为200mg/min。
开启插板阀，通过安装到聚变装置真空室上的可见光谱仪，可以看到明显的硼谱线，说明硼离子已经进入到聚变装置真空室，实现了硼化功能。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (12)
1.一种利用预处理装置对聚变装置真空室进行实时硼化的方法，其特征在于，所述预处理装置包括预电离室、阀门与滤网；
所述预电离室设置在所述聚变装置外，在所述预电离室上设有硼粉注入口；
所述阀门设置在所述预电离室与所述聚变装置之间，用于联通二者空腔内环境，并控制预电离室中的气体进入聚变装置；
所述滤网设置在所述阀门的一侧，用于防止预电离室中未经电离的硼粉进入所述聚变装置；
所述方法包括如下步骤：
(1)向预电离室内通入气体，并在抽真空设备的作用下，使预电离室气压为聚变装置真空室气压的100倍以上，利用射频电源在预电离室内产生稳定的等离子体；
(2)向预电离室内注入硼粉，使硼粉在等离子体作用下电离成硼离子；
(3)打开阀门，使电离后的硼离子在气压差的作用下扩散到聚变装置的真空室内；
(4)在聚变装置等离子体放电的条件下，使进入聚变装置的硼离子发生硼化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预电离室为差分腔。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阀门为插板阀。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滤网设置在所述阀门与所述预电离室之间，滤网的孔径＜50微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预电离室外绕有磁场线圈，用于产生轴向磁场。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预电离室外设有射频电源。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理装置还包括用于调节所述预电离室气压的抽真空设备。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述预电离室与所述聚变装置的空腔容积比例为1:250-1:550。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预电离室与所述聚变装置的空腔容积比例为1:300。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硼粉的粒径为50微米-300微米，硼粉的注入速率为10mg/min-200mg/min。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述硼粉的粒径为80微米。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述硼粉的注入速率为100mg/min。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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