本發(fā)明涉及核聚變等離子體高約束模式的人為控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種核聚變等離子體高約束模式控制方法。

背景技術(shù)：

高約束模式(h模)最早在1981年德國的asdex裝置上首次被發(fā)現(xiàn)。h模的基本特征是在托卡馬克等離子體邊緣區(qū)域出現(xiàn)徑向陡峭壓力分布的區(qū)域，也就是所謂的“邊緣輸運(yùn)壘”。h模是相對于低約束模式(l模)來說的一種等離子體能量約束更好的約束模式。h模具有高的能量約束和高比壓，以及適度的粒子輸運(yùn)速率(有利于排除氦灰和雜質(zhì))等性能，它是聚變堆達(dá)到自持燃燒等離子體條件的一個重要組成部分，h模是未來聚變堆理想的運(yùn)行狀態(tài)。它已經(jīng)在各種磁約束位形裝置(具有偏濾器或限制器位形的托卡馬克、仿星器和串級磁鏡等)上實(shí)現(xiàn)，是一種普遍存在的改善約束模。h模已經(jīng)被定為iter運(yùn)行的基本設(shè)計方案。

聚變等離子體從低約束模式向高約束模式轉(zhuǎn)變的過程稱為l-h轉(zhuǎn)換。在傳統(tǒng)的加料條件下，工作氣體從等離子體邊緣緩慢的補(bǔ)充，等離子體的密度剖面也逐漸變成適合l-h轉(zhuǎn)換的邊緣陡峭、中間平坦的形狀。在這種密度剖面下，向外的粒子和熱輸運(yùn)被大幅抑制，l-h就會自發(fā)產(chǎn)生。由于密度剖面的變化并不受人為控制，因此我們無法預(yù)知和控制l-h轉(zhuǎn)換的時刻。

h模一般在等離子體的密度和加熱功率達(dá)到一定閾值后自發(fā)實(shí)現(xiàn)，由于l-h 轉(zhuǎn)換目前在理論上并沒有完整的闡釋，因此實(shí)驗上也無法通過預(yù)設(shè)等離子體密度和加熱等參數(shù)的方式人為的精確控制等離子體實(shí)現(xiàn)h模的時刻。目前l(fā)-h轉(zhuǎn)換時刻的人為精確控制在仍然是理論和實(shí)驗的盲區(qū)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要提供一種核聚變等離子體高約束模式控制方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中聚變等離子體l-h轉(zhuǎn)換只能自發(fā)實(shí)現(xiàn)，無法預(yù)知和人為控制的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種核聚變等離子體高約束模式控制方法，包括以下步驟：

步驟一、在歐姆加熱條件下將以反饋送氣的方式聚變等離子體的本底密度提升至略低于l-h轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗閾值；

步驟二、對等離子體進(jìn)行輔助加熱；

步驟三、當(dāng)?shù)入x子體溫度升高至穩(wěn)定階段后，注入高背壓，短脈沖加料氣束；等離子體在氣束脈沖結(jié)束后短時間內(nèi)將實(shí)現(xiàn)l-h轉(zhuǎn)換。

進(jìn)一步所述經(jīng)驗閾值依據(jù)聚變裝置參數(shù)、等離子體參數(shù)以及加熱條件確定。

進(jìn)一步所述加料氣束的背壓為10-20個大氣壓，脈寬為2-5ms。

進(jìn)一步所述經(jīng)驗閾值為1.5×10¹⁹m^-3至2×10¹⁹m^-3。

進(jìn)一步所述的輔助加熱采用中性束注入加熱方式或射頻加熱方式。

進(jìn)一步所述射頻加熱方式包括電子回旋加熱，離子回旋加熱，低雜波加熱。

進(jìn)一步所述等離子體在氣束脈沖結(jié)束后10-20ms將實(shí)現(xiàn)l-h轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：

本發(fā)明通過在短時間內(nèi)注入大量工作氣體的方式，提高等離子體密度臺基的高度，創(chuàng)造邊緣輸運(yùn)壘，激發(fā)等離子體從l模到h模的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)l-h轉(zhuǎn)換時刻的人為可控。

在hl-2a裝置上，在開始放電后的歐姆階段，先通過反饋送氣將等離子體的密度提升至1.8×10¹⁹/m³；在500ms處注入功率約900kw的中性束進(jìn)行輔助加熱。在后面的超聲氣束注入之前，沒有出現(xiàn)l-h轉(zhuǎn)換的跡象。在543ms處注入背壓為10個大氣壓，脈寬為2ms的超聲氣束，在氣束脈沖結(jié)束后約10ms觀測到邊緣再循環(huán)水平大幅下降，同時等離子體儲能迅速爬升，這說明等離子體實(shí)現(xiàn)了從l模到h模的轉(zhuǎn)換。如圖3所示。中國環(huán)流器2號a上的實(shí)驗結(jié)果表明，本發(fā)明一種核聚變等離子體高約束模式控制方法實(shí)現(xiàn)高約束模式是可行的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一種核聚變等離子體高約束模式控制方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中國環(huán)流器2號a裝置上超聲氣體射流沿hl-2a真空室大環(huán)直徑在中平面垂直注入環(huán)形等離子體的示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例一種核聚變等離子體高約束模式控制方法超聲氣束實(shí)現(xiàn)l-h轉(zhuǎn)換的過程。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

本發(fā)明一種核聚變等離子體高約束模式控制方法，在一定的等離子體本底 密度和加熱功率下，在一個短脈沖內(nèi)將大量工作氣體注入等離子體，控制等離子體從l模到h模的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明基于一種新型的送氣工具-超聲氣體或團(tuán)簇射流注入器(zl200510105647.1)，這種注入器的原理是：高壓氣體通過拉瓦爾噴嘴進(jìn)入真空可以形成超聲分子束，相對于普通噴氣，分子束具有更好的方向性和收束性，因而比普通的送氣方式有更高的加料效率和注入深度。

如圖1所示，本發(fā)明一種核聚變等離子體高約束模式控制方法，包括以下步驟：

步驟一、在歐姆加熱條件下將以反饋送氣的方式聚變等離子體的本底密度提升至略低于l-h轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗閾值。

該經(jīng)驗閾值依據(jù)聚變裝置參數(shù)、等離子體參數(shù)以及加熱條件確定；

例如最早發(fā)現(xiàn)h模的asdex裝置，在其實(shí)現(xiàn)h模的一個參數(shù)區(qū)間中(等離子電流為300-370ka，雙零位形，中性束注入功率大于2mw)，該密度閾值約為3-3.6×10¹⁹m^-3。(見文獻(xiàn)[nuclearfusion,vol.29,no.11(1989)]圖59)。

在hl-2a裝置上實(shí)現(xiàn)h模的一個參數(shù)區(qū)間中(等離子體電流為150-180ka，單零位形，中性束注入功率約為900kw)，該密度閾值約為1.5-2×10¹⁹m^-3。

步驟二、對等離子體進(jìn)行輔助加熱。

輔助加熱采用中性束注入加熱方式或射頻加熱方式(包括電子回旋加熱，離子回旋加熱，低雜波加熱)，本實(shí)施例優(yōu)選采用中性束注入的加熱方式。

理論上，如果等離子體的本底密度超過l-h轉(zhuǎn)換的實(shí)際閾值，在輔助加熱一段時間后會實(shí)現(xiàn)l模到h模的自發(fā)轉(zhuǎn)換，但轉(zhuǎn)換的時刻無法控制。

步驟三、當(dāng)?shù)入x子體溫度升高至穩(wěn)定階段后，注入背壓為10-20個大氣壓，脈寬為2-5ms的超聲氣束；等離子體在氣束脈沖結(jié)束后短時間內(nèi)(10-20ms)將 實(shí)現(xiàn)l-h轉(zhuǎn)換。

“發(fā)明名稱：超聲氣體或團(tuán)簇射流注入器，專利號為：zl200510105647.1”的專利文獻(xiàn)中對超聲氣束做出了描述。

l-h轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的時間隨聚變裝置的不同而改變，10-20ms是中國環(huán)流器2號a(hl-2a)裝置上的經(jīng)驗值。

下面以在中國環(huán)流器2號a(hl-2a)裝置上實(shí)驗過程為例，對本發(fā)明進(jìn)行說明。

1)hl-2a裝置上的超聲氣束注入器

圖2為hl-2a裝置上超聲氣束注入器系統(tǒng)的剖面示意圖。該系統(tǒng)經(jīng)過多次技術(shù)改造，目前的注入器閥門由液氮冷卻，其作用是降低閥門內(nèi)的工作氣體溫度至80-100k，使氣體分子形成團(tuán)簇，提高等離子體的注入深度。閥門工作氣壓最高為5mpa，通常工作氣壓低于3mpa。整個氣體射流閥門組件固定在cf150法蘭上，該法蘭與hl-2a裝置真空室管道連接。為了在超聲氣體射流注入期間獲得較好的真空環(huán)境，在注入管道下方連接一臺抽速為450l/s的渦輪分子泵。形成超聲氣體射流生存空間主要依靠安裝在hl-2a裝置真空室的4臺渦輪分子泵，每臺抽速3000/s。另外，加料對象高溫等離子體本身也具備極大的抽速。脈沖超聲氣體射流注入hl-2a裝置的示意圖如圖2所示。氣體射流閥門與工作氣體輸氣管道由a-lock接頭連接，該接頭既可以真空密封，又能承受高氣壓10mpa。

目前該套超聲氣束注入器的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)等離子體放電期間任意時刻，任意脈沖寬度和數(shù)量氣束的注入，結(jié)合閥門后方氣體儲存單元內(nèi)氣體壓力(又稱背壓)的調(diào)節(jié)，可以靈活實(shí)現(xiàn)不同的加料要求。

2)實(shí)際技術(shù)方案和效果

根據(jù)發(fā)明內(nèi)容中所提出的技術(shù)流程，我們的實(shí)際操作如下：

a.在hl-2a裝置上，在開始放電后的歐姆階段，先通過反饋送氣將等離子體的密度提升至1.8×10¹⁹/m³；

b.在500ms處注入功率約900kw的中性束進(jìn)行輔助加熱，在后面的超聲氣束注入之前，沒有出現(xiàn)l-h轉(zhuǎn)換的跡象；

c.在543ms處注入背壓為10個大氣壓，脈寬為2ms的超聲氣束，在氣束脈沖結(jié)束后約10ms觀測到邊緣再循環(huán)水平大幅下降，同時等離子體儲能迅速爬升，這說明等離子體實(shí)現(xiàn)了從l模到h模的轉(zhuǎn)換。

具體如圖3所示，超聲氣束實(shí)現(xiàn)l-h轉(zhuǎn)換的過程；圖中denisty1為等離子體的平均密度，smbi為超聲氣束的控制信號，ha-div為偏濾器區(qū)域的第一級氫巴耳末系線輻射強(qiáng)度，表示等離子體邊緣的再循環(huán)水平；w_e為等離子體的儲能，nbi為中性束注入的加熱功率。

中國環(huán)流器2號a上的實(shí)驗結(jié)果表明，基于超聲氣束人為控制聚變等離子體實(shí)現(xiàn)高約束模式是可行的。