一種利用電熱推進(jìn)對(duì)托卡馬克裝置加料的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于磁約束聚變技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的高速高壓等離子體射流將冰凍燃料彈丸推進(jìn)至托卡馬克裝置聚變等離子體堆心的方法及相關(guān)裝置設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]托卡馬克(Tokamak)裝置需要一個(gè)高速、高效、可靠的加料系統(tǒng)使冰凍燃料彈丸穿過等離子體邊緣層進(jìn)入高溫堆心，因此深度反應(yīng)堆燃料添加技術(shù)是備受關(guān)注的重要問題。然而，常規(guī)的冰凍燃料彈丸注入方法面臨著諸多挑戰(zhàn)，首先需要保證加料效率，即保證足夠的彈丸速度使得彈丸在融化前進(jìn)入堆心，同時(shí)需要足夠的注入頻率以保證加料過程的連續(xù)性；其次，在彈丸注入過程中同時(shí)必須保證反應(yīng)堆無有害雜質(zhì)進(jìn)入，否則由于軔致輻射損失極易影響等離子體的形成和穩(wěn)定；最后是需要有效地抑制彈丸注入引起的邊緣局域模。
[0003]現(xiàn)有的托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置提供有弱場(chǎng)側(cè)注入和強(qiáng)場(chǎng)側(cè)注入兩種彈丸注入方式，彈丸通常通過弱場(chǎng)側(cè)注入導(dǎo)管(直管)或強(qiáng)場(chǎng)側(cè)注入導(dǎo)管(彎管)進(jìn)入聚變等離子體中。在現(xiàn)有的ITER裝置上，為了得到足夠的加料效率以維持托卡馬克裝置運(yùn)行，弱場(chǎng)側(cè)注入方法對(duì)彈丸注入速度(3-5km/s)、注入頻率(10-50HZ)的要求十分嚴(yán)苛。然而，現(xiàn)有的多級(jí)輕氣槍彈丸注入方法的彈丸速度(lkm/s)和注入頻率(IHz)明顯不足，而盡管在同樣的注入速度下，強(qiáng)場(chǎng)側(cè)注入可以獲得更大的加料效率，但由于使用曲線導(dǎo)管傳輸彈丸，為了保證彈丸完整性，彈丸注入速度被限制在300m/s以下，對(duì)加料效率的提升效果有限。
[0004]因此，針對(duì)目前彈丸注入方法給托卡馬克加料效率不足的問題，為了達(dá)到實(shí)際聚變堆對(duì)深層燃料添加的要求，亟待提出一種可以顯著地提升托卡馬克加料效率的加料方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種利用電熱推進(jìn)對(duì)托卡馬克裝置加料的方法及裝置，用于解決目前彈丸注入加料效率不足的問題，以達(dá)到實(shí)際聚變堆對(duì)深層燃料添加的要求。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0007]一種利用電熱推進(jìn)對(duì)托卡馬克裝置加料的方法，包括以下步驟:
[0008]利用高速、高壓強(qiáng)等離子體射流推動(dòng)冰凍燃料彈丸進(jìn)入反應(yīng)堆心，從而使托卡馬克裝置中的等離子體得到補(bǔ)充并達(dá)到及維持聚變反應(yīng)條件。
[0009]由可重復(fù)觸發(fā)的脈沖功率源對(duì)毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器放電，使毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器自擊穿產(chǎn)生初始等離子體，進(jìn)而對(duì)毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器的器壁材料進(jìn)行燒蝕達(dá)到自持放電，從而產(chǎn)生高速、高壓強(qiáng)等離子體射流。
[0010]所述利用電熱推進(jìn)對(duì)托卡馬克裝置加料的方法具體包括以下步驟:
[0011]I)根據(jù)托卡馬克裝置的加料需求，確定冰凍燃料彈丸的注入速度和注入頻率，然后設(shè)置所述脈沖功率源的放電電壓與放電頻率；
[0012]2)根據(jù)所述脈沖功率源的放電頻率，確定彈丸生成和擠壓系統(tǒng)的彈丸生成和擠壓頻率；
[0013]3)同步啟動(dòng)或以一定的間隔時(shí)間先后啟動(dòng)所述脈沖功率源以及彈丸生成和擠壓系統(tǒng)，在托卡馬克裝置中的聚變等離子體維持階段，利用所述高速、高壓強(qiáng)等離子體射流將彈丸生成和擠壓系統(tǒng)輸送至彈道入口內(nèi)的冰凍燃料彈丸注入至反應(yīng)堆心；
[0014]4)停止冰凍燃料彈丸注入時(shí)，先退出彈丸生成和擠壓系統(tǒng)，再切斷所述脈沖功率源。
[0015]所述脈沖功率源的放電頻率為彈丸生成和擠壓頻率的整數(shù)倍，所述脈沖功率源與彈丸生成和擠壓系統(tǒng)的啟動(dòng)的間隔時(shí)間為所述脈沖功率源的放電脈寬的整數(shù)倍。
[0016]所述彈道的材料為不銹鋼或石英，彈道的內(nèi)表面設(shè)置有納米金剛石薄膜；所述器壁材料所含元素的原子序數(shù)不高于碳，所述毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器的電極材料為石里年、O
[0017]所述高速、高壓強(qiáng)等離子體射流將冰凍燃料彈丸沿彈道推進(jìn)至托卡馬克裝置的弱場(chǎng)側(cè)注入導(dǎo)管。
[0018]所述冰凍燃料彈丸的注入頻率為12-200HZ ;所述冰凍燃料彈丸的注入速度為3-4.5km/s ο
[0019]一種利用電熱推進(jìn)對(duì)托卡馬克裝置加料的裝置，包括彈丸生成和擠壓系統(tǒng)、彈道、毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器以及可重復(fù)觸發(fā)的脈沖功率源，所述毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器的電極與所述脈沖功率源相連，毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器的出口與彈道的入口緊密相連，彈丸生成和擠壓系統(tǒng)與彈道在彈道入口處相連，彈道的出口與托卡馬克裝置的弱場(chǎng)側(cè)注入導(dǎo)管相連。
[0020]所述毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器的器壁材料所含元素的原子序數(shù)不高于碳，所述毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器的電極材料為石墨；所述彈道的材料為不銹鋼或石英，彈道的內(nèi)表面設(shè)置有納米金剛石薄膜。
[0021]所述毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器長(zhǎng)60-140mm，內(nèi)徑為3_4mm ;所述彈道的長(zhǎng)度為90_400mm，內(nèi)徑為 3_5mm。
[0022]本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果:
[0023]與目前托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置中常用的多級(jí)輕氣槍彈丸注入系統(tǒng)相比，本發(fā)明彈丸注入速度和注入頻率更高，加料效率更高，極大地提高了聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的可能性；本發(fā)明所需求的輸入能量較低，并且電熱發(fā)射具有很好的一致性，從而提高了聚變堆運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明可以通過程序化控制實(shí)現(xiàn)，具有一定的智能性，可以很好地面向未來磁約束核聚變反應(yīng)堆的運(yùn)行。
[0024]本發(fā)明針對(duì)加料系統(tǒng)中可能給聚變堆引入雜質(zhì)的問題進(jìn)行了優(yōu)化，通過控制器壁材料，電極材料和彈道材料有效地抑制了雜質(zhì)引入，從而降低了偏濾器的工作壓力。
【附圖說明】
[0025]圖1為利用電熱推進(jìn)給托卡馬克裝置加料系統(tǒng)的示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明所述加料方法的啟動(dòng)流程圖；
[0027]圖3為本發(fā)明所述加料方法的退出流程圖；
[0028]圖中:1:脈沖功率源；2:毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器的陽極；3:毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器的內(nèi)壁(即器壁)；4:毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器的陰極；5:彈丸生成和擠壓系統(tǒng)；6:彈道；7:弱場(chǎng)側(cè)注入導(dǎo)管；8:冰凍燃料彈丸。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。在此本發(fā)明的附圖及說明用來解釋發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明使用范圍的限定。
[0030]參見圖1，本發(fā)明提供了一種利用電熱推進(jìn)給托卡馬克裝置加料的系統(tǒng)，系統(tǒng)由四個(gè)部分組成，分別是可重復(fù)觸發(fā)的脈沖功率源1，毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器，彈道6和彈丸生成和擠壓系統(tǒng)5。毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器的出口與彈道入口緊密相連，彈丸生成和擠壓系統(tǒng)與彈道在彈道入口處相連(彈道與彈丸生成和擠壓系統(tǒng)的彈丸輸出管道垂直)，冷凍燃料彈丸8由彈丸生成和擠壓系統(tǒng)制成并放置在彈道的入口處，彈道的出口則與托卡馬克裝置的弱場(chǎng)側(cè)注入導(dǎo)管7緊密相連。
[0031]上述系統(tǒng)利用高速、高壓強(qiáng)等離子體射流推動(dòng)冰凍燃料彈丸至合適的速度進(jìn)入反應(yīng)堆心，該高速、高壓強(qiáng)等離子體射流由所述脈沖功率源對(duì)毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器放電、毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器自擊穿(空氣)產(chǎn)生初始等離子體、進(jìn)而對(duì)器壁材料進(jìn)行燒蝕達(dá)到自持放電而產(chǎn)生。在高速、高壓強(qiáng)等離子體射流下，彈丸一經(jīng)發(fā)射出彈道，即可經(jīng)弱場(chǎng)側(cè)注入導(dǎo)管進(jìn)入托卡馬克裝置中，完成加料過程，從而使托卡馬克裝置中的等離子體得到補(bǔ)充并達(dá)到及維持聚變反應(yīng)條件。
[0032]毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器中的器壁材料所含元素的原子序數(shù)須不高于碳，比如可使用的器壁材料為氘化鋰，聚乙烯等，可在獲得足夠壓強(qiáng)的等離子體射流的同時(shí)，避免給托卡馬克裝置帶來雜質(zhì)，毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器的電極材料為石墨，在可耐受多次擊穿的