一种磁约束聚变装置燃料补充设备

技术领域

本发明属于受控核聚变技术领域，具体涉及一种磁约束聚变装置燃料补充设备。

背景技术

用于聚变堆做长脉冲准稳态运行的成熟加料技术是聚变堆是实现长脉冲放电运行的必备条件，也是磁约束聚变研究领域探索的关键技术。受控聚变过程中，聚变燃料的补充在反应堆运行期间是一刻也不能停止的。目前聚变装置等离子体的离子温度已经加热到40kev以上，超过了对“点火”温度的要求。相比之下，等离子体的密度提高进展比较缓慢，国际领先的几个聚变装置的密度也只是接近。聚变装置等离子体密度的提高受到如密度极限等物理问题的限制，加料方法的单一和技术落后，也是制约等离子体密度增长的重要因素之一。在现有的补充加料技术中，脉冲送气和超声分子束注入是两种常用的技术。例如，公告号为CN1941216A给出的一种超声分子束注入装置，其加料效率比脉冲送气要高，但随着聚变装置尺寸的增大，这种超声分子束注入装置加料效率会随之降低。另外，这两种加料技术还存在一个共同的缺点是：高压燃料气体通过喷气阀门喷嘴喷出，气体在向等离子体运动过程中，因气体的扩散特性，有大量燃料气体还没有进入等离子体，就被聚变装置器壁所吸附，这不仅影响加料效率，还使得聚变装置器壁再循环上升，导致等离子体放电因器壁再循环上升而提前终止。国际热核聚变堆专家组在1999年就曾指出，国际热核聚变堆装置的删削层(边界层)比较厚、温度高，脉冲喷气加料能否穿越删削层，进入等离子体芯部是个问题，需要研制新的燃料补充技术。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种磁约束聚变装置燃料补充设备，克服现有的磁约束聚变装置燃料补充送气技术的缺点，也就是送气加料过程中，由于气体的扩散特性导致的加料效率低，且燃料气体被器壁大量吸附，影响器壁再循环的问题。通过本发明设备剥离补充燃料气体过程中定向速度低、还没有到达聚变装置等离子体前碰到器壁的那部分燃料气体粒子，并及时排出，提高现有的磁约束聚变装置加料效率，有效降低加料过程对磁约束聚变装置器壁再循环的影响。

本发明的技术方案如下：

一种磁约束聚变装置燃料补充设备，包括真空腔体A、真空腔体B、圆台形状气体分流器、喷气阀门、磁场屏蔽体、输气管路、聚变燃料气源和控制系统；

真空腔体A一端通过第一法兰与聚变装置真空室相连，真空腔体A另一端与圆台形状气体分流器连接；真空腔体B的左右两端分别与真空腔体A和磁场屏蔽体连接，下端通过第二法兰和隔离阀与抽气机组连接，上端设置有真空测量仪；

在真空腔体B4的右侧设置有喷气阀门，喷气阀门的喷嘴与圆台形状气体分流器顶端小孔正对着，喷气阀门的中心轴与圆台形状气体分流器的中心轴在同一轴线，喷气阀门被磁屏蔽体包围；输气管道的轴线与喷气阀门的中心轴线在同轴线上，输气管道穿过第三法兰的一端与喷气阀门连通，输气管道的另一端与外部聚变燃料气源相连。

一种磁约束聚变装置燃料补充设备，所述真空腔体A与聚变装置真空室相连，补充燃料气体由喷气阀门喷嘴喷出，定向速度高、准直性好的燃料粒子通过圆台形状气体分流器进入聚变装置等离子体，其余燃料粒子被圆台形状气体分流器剥离后，由抽气机组排出。

一种磁约束聚变装置燃料补充设备，所述圆台形状气体分流器是一个金属材料制成的、无底无盖的空心桶，型如一个无把手的漏斗，采用夹具固定在本装置的真空腔体内，将整个真空腔体分为真空腔体A和真空腔体B两个相对独立的空间。

一种磁约束聚变装置燃料补充设备，气体分流器开口的圆台底部一端，与真空腔体A相接，圆台形状气体分流器开口的圆台顶部一端则悬在真空腔体B内，正对喷气阀门的喷嘴，与喷气阀门喷嘴口在同一轴线上，真空腔体A和真空腔体B通过圆台形状气体分流器顶端小孔，形成气流通道，可使燃料气体通过。

一种磁约束聚变装置燃料补充设备，圆台形状气体分流器圆台顶部一端的小孔直径根据需要通过的燃料气体量大小来决定，范围在3mm--50mm之间。

一种磁约束聚变装置燃料补充设备，抽气机组设置在固定架上，固定架上设置有和抽气机组排气口匹配的排气管道。

一种磁约束聚变装置燃料补充设备，所述喷气阀门是控制输送燃料气体大小以及控制输送燃料气体时间长短的气体控制阀门，阀门喷口正对圆台形状气体分流器的小孔且两者在同一轴线上，喷气阀门喷口至圆台形状气体分流器顶端小孔距离根据所需通过气量大小进行调节，调节范围在2mm--50mm之间。

一种磁约束聚变装置燃料补充设备，所述磁场屏蔽体是由磁导率较大的软磁材料制成的圆柱桶型体，喷气阀门置于其中，仅阀门喷嘴暴露在外。

一种磁约束聚变装置燃料补充设备，圆柱桶型的磁场屏蔽体的轴线与喷气阀门的喷嘴、圆台形状气体分流器小孔在同一轴线上。

一种磁约束聚变装置燃料补充设备，所述输气管路是与喷气阀门配合安装的不锈钢或其它合金材料制成的管道，与阀门连接采用Swagelok或其它可承载高压聚变燃料气体的管件连接。

本发明的有益效果在于：

本发明在喷气阀门喷嘴前，燃料气体运动方向上设置气体分流器，将定向速度低、准直性差的气体粒子提前剥离，通过抽气机组实时排出，只允许定向速度高、准直性好的气体粒子通过并进入聚变装置主真空室，加料效率可以提高20％-30％，另一个显著效果是，降低加料过程中由于燃料气体扩散，被聚变装置真空室壁吸附的粒子，降低聚变装置器壁再循环。通过调节气体分流器顶端通孔大小，配合调节阀门喷嘴到气体分流器顶端的距离、喷气阀门背压，可以满足不同大小尺寸聚变装置加料的需要。通过调节注入气体背压和注入时间，可以获得更加均匀、微扰、可控的气体注入，用于等离子体性能研究。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1.喷气阀门，2.圆台形状气体分流器，3.真空腔体A，4.真空腔体B，5.磁场屏蔽体，6.第一法兰，7.抽气机组，8.第二法兰，9.输气管路，10.第三法兰，11.隔离阀，12.真空测量仪。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种磁约束聚变装置燃料补充设备，主要部件包括：真空腔体A3、真空腔体B4、圆台形状气体分流器2、喷气阀门1、磁场屏蔽体5、输气管路9、聚变燃料气源和控制系统。真空腔体A3与聚变装置真空室相连，补充燃料气体由喷气阀门1喷嘴喷出，定向速度高、准直性好的燃料粒子通过圆台形状气体分流器2进入聚变装置等离子体，其余燃料粒子被圆台形状气体分流器2剥离后，由抽气机组7排出。

所述圆台形状的气体分流器是一个金属材料制成的、无底无盖的空心桶，型如一个无把手的漏斗，采用夹具固定在本装置的真空腔体内，将整个真空腔体分为真空腔体A3和真空腔体B4两个相对独立的空间。气体分流器开口的一端(圆台底部)与真空腔体A3相接，圆台形状气体分流器2开口的另一端(圆台顶部)则悬在真空腔体B4内，正对喷气阀门1的喷嘴，与喷气阀门1喷嘴口在同一轴线上。真空腔体A3和真空腔体B4通过圆台形状气体分流器2顶端小孔，形成气流通道，可使燃料气体通过。圆台形状气体分流器2顶端(圆台顶部)小孔直径根据需要通过的燃料气体量大小来决定，一般在3mm--50mm之间。

真空腔体A3一端通过第一法兰6与聚变装置真空室相连，真空腔体A3另一端与圆台形状气体分流器2连接；真空腔体B4的左右两端分别与真空腔体A3和磁场屏蔽体5连接，下端通过第二法兰8和隔离阀与抽气机组7连接，上端设置有真空测量仪12。

抽气机组7设置在固定架上，固定架上设置有和抽气机组7排气口匹配的排气管道。

在真空腔体B4的右侧设置有喷气阀门1，喷气阀门1的喷嘴与圆台形状气体分流器2顶端小孔正对着，喷气阀门1的中心轴与圆台形状气体分流器2的中心轴在同一轴线，喷气阀门1被磁屏蔽体5包围；输气管道9的轴线与喷气阀门1的中心轴线在同轴线上，输气管道9穿过第三法兰10的一端与喷气阀门连通，输气管道9的另一端与外部聚变燃料气源相连。

所述圆台形状气体分流器是金属材料制成的气体分流器。

所述喷气阀门1是控制输送燃料气体大小以及控制输送燃料气体时间长短的气体控制阀门。阀门喷口正对圆台形状气体分流器2的小孔且两者在同一轴线上，喷气阀门1喷口至圆台形状气体分流器2顶端小孔距离根据所需通过气量大小进行调节，调节范围在2mm--50mm之间。

所述磁场屏蔽体5是由磁导率较大的软磁材料制成的圆柱桶型体，喷气阀门1置于其中，仅阀门喷嘴暴露在外，屏蔽磁约束聚变装置强磁场对阀门的干扰。圆柱桶型的磁场屏蔽体5的轴线与喷气阀门1的喷嘴、圆台形状气体分流器2小孔在同一轴线上。

所述输气管路9是与喷气阀门1配合安装的不锈钢或其它合金材料制成的管道，与阀门连接采用Swagelok或其它可承载高压聚变燃料气体的管件连接，在第三法兰外10与送气源相连。

所述控制系统是喷气阀门1常规控制系统，包括工控机、阀门驱动器和控制软件，可以控制阀门开启大小和时间。

喷气阀门1控制线通过安装在第三法兰10上的真空联通器件(气密封耐辐照圆形连接器)与外部计算机控制系统相连，控制阀门开闭合。抽气机组7连接在第二法兰8上，与真空腔体B相连，中间设有隔离阀11，在对聚变装置进行燃料补充过程中，将被圆台形状气体分流器2剥离的气体粒子实时排出，避免这部分粒子滞留在真空腔体内，真空测量仪12实时监测真空腔体真空度。

启动一种磁约束聚变装置燃料补充设备抽气机组，将真空腔体真空度维持在聚变装置真空室同样的真空度，打开第一法兰6与聚变装置真空室之间的隔离阀。按聚变装置等离子体放电对密度的要求，设置喷气阀门1开启时长和需要的燃料气体背压，等待聚变装置等离子体放电时序指令。当等离子体放电时序指令到达时，发送控制喷气阀门1驱动器开启指令，驱动喷气阀门开启，进行聚变燃料补充，在这同时，被圆台形状气体分流器2剥离的燃料气体由抽气机组7实时排出，在等离子体密度达到预设值时，关闭喷气阀门1，整套系统进入等待下一次喷气阀门1开启指令。