一種利用電熱推進對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。
【背景技術(shù)】
[0002]托卡馬克(Tokamak)裝置需要一個高速、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入堆心，同時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必須保證反應(yīng)堆無有害雜質(zhì)進入，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驗裝置提供有弱場側(cè)注入和強場側(cè)注入兩種彈丸注入方式，彈丸通常通過弱場側(cè)注入導管(直管)或強場側(cè)注入導管(彎管)進入聚變等離子體中。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行，弱場側(cè)注入方法對彈丸注入速度(3-5km/s)、注入頻率(10-50HZ)的要求十分嚴苛。然而，現(xiàn)有的多級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，強場側(cè)注入可以獲得更大的加料效率，但由于使用曲線導管傳輸彈丸，為了保證彈丸完整性，彈丸注入速度被限制在300m/s以下，對加料效率的提升效果有限。
[0004]因此，針對目前彈丸注入方法給托卡馬克加料效率不足的問題，為了達到實際聚變堆對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對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，以達到實際聚變堆對深層燃料添加的要求。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0007]一種利用電熱推進對托卡馬克裝置加料的方法，包括以下步驟:
[0008]利用高速、高壓強等離子體射流推動冰凍燃料彈丸進入反應(yīng)堆心，從而使托卡馬克裝置中的等離子體得到補充并達到及維持聚變反應(yīng)條件。
[0009]由可重復(fù)觸發(fā)的脈沖功率源對毛細管放電等離子體發(fā)生器放電，使毛細管放電等離子體發(fā)生器自擊穿產(chǎn)生初始等離子體，進而對毛細管放電等離子體發(fā)生器的器壁材料進行燒蝕達到自持放電，從而產(chǎn)生高速、高壓強等離子體射流。
[0010]所述利用電熱推進對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)同步啟動或以一定的間隔時間先后啟動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，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)的啟動的間隔時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、高壓強等離子體射流將冰凍燃料彈丸沿彈道推進至托卡馬克裝置的弱場側(cè)注入導管。
[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]一種利用電熱推進對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側(cè)注入導管相連。
[0020]所述毛細管放電等離子體發(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]所述毛細管放電等離子體發(fā)生器長60-140mm，內(nèi)徑為3_4mm ;所述彈道的長度為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驗裝置中常用的多級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行的經(jīng)濟性。本發(fā)明可以通過程序化控制實現(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)堆的運行。
[0024]本發(fā)明針對加料系統(tǒng)中可能給聚變堆引入雜質(zhì)的問題進行了優(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:毛細管放電等離子體發(fā)生器的陽極；3:毛細管放電等離子體發(fā)生器的內(nèi)壁(即器壁)；4:毛細管放電等離子體發(fā)生器的陰極；5:彈丸生成和擠壓系統(tǒng)；6:彈道；7:弱場側(cè)注入導管；8:冰凍燃料彈丸。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。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給托卡馬克裝置加料的系統(tǒng)，系統(tǒng)由四個部分組成，分別是可重復(fù)觸發(fā)的脈沖功率源1，毛細管放電等離子體發(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側(cè)注入導管7緊密相連。
[0031]上述系統(tǒng)利用高速、高壓強等離子體射流推動冰凍燃料彈丸至合適的速度進入反應(yīng)堆心，該高速、高壓強等離子體射流由所述脈沖功率源對毛細管放電等離子體發(fā)生器放電、毛細管放電等離子體發(fā)生器自擊穿(空氣)產(chǎn)生初始等離子體、進而對器壁材料進行燒蝕達到自持放電而產(chǎn)生。在高速、高壓強等離子體射流下，彈丸一經(jīng)發(fā)射出彈道，即可經(jīng)弱場側(cè)注入導管進入托卡馬克裝置中，完成加料過程，從而使托卡馬克裝置中的等離子體得到補充并達到及維持聚變反應(yīng)條件。
[0032]毛細管放電等離子體發(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，可在獲得足夠壓強的等離子體射流的同時，避免給托卡馬克裝置帶來雜質(zhì)，毛細管放電等離子體發(fā)生器的電極材料為石墨，在可耐受多次擊穿的