一种等离子体密度极限破裂预警和缓解系统

技术领域

本发明属于核科学技术领域，具体涉及一种等离子体密度极限破裂预警和缓解系统。

背景技术

核聚变能是一种安全、无污染的未来能源，而托卡马克被认为是实现磁约束核聚变最可能的途径。磁约束核聚变领域最受关注的参数是电子密度n、离子温度T

然而，大量的实验证据表明，托卡马克装置运行受到Greenwald密度n

此外，引起边界冷却和边缘辐射增强的因素众多，这使得科学家一直无法找到可靠的密度极限破裂预警参照物。因此，目前世界范围内并没有磁约束聚变装置能够成功预测电子密度极限破裂，这对未来聚变堆的安全运行是极其不利的。

在上一轮HL-2A实验中，我们首次发现了等离子体电子密度极限破裂前总是伴随着大量的动理气球模(如附图2所示)。这些模式主要是由压强P＝Kn(T

因此，本发明基于HL-2A装置的物理实验，提出一种以动理气球模作为预警信号并以电子回旋波和送气系统作为缓解手段的等离子体电子密度极限破裂预警和缓解系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体密度极限破裂预警和缓解系统，该系统针对磁约束聚变装置高电子密度运行时容易产生等离子体破裂的实验现象，通过测量高密度条件下激发的动理气球模作为预警信号，通过送气系统和电子回旋加热系统等外部手段降低电子密度或者控制动理气球模从而实现对极限破裂的缓解。

实现本发明目的的技术方案：

一种等离子体密度极限破裂预警和缓解系统，所述系统包括：等离子体，扰动量测量诊断系统，平衡量测量诊断系统，频谱分析仪，一般鱼骨模色散关系求解器，中央处理器，送气控制系统和托卡马克送气系统；等离子体直接与扰动量诊断系统测量端连接，扰动量诊断系统输出端与频谱分析仪输入端连接，频谱分析仪输出端与中央处理器输入端c连接；等离子体直接与平衡量诊断系统测量端连接，平衡量诊断系统输出端a与一般鱼骨模色散关系求解器输入端连接，一般鱼骨模色散关系求解器输出端与中央处理器输入端a连接；中央处理器输出端e与送气控制系统连接，送气控制系统与托卡马克送气系统连接，托卡马克送气系统与等离子体连接；平衡量测量诊断系统和扰动量测量诊断系统分别从等离子体中测量等离子体平衡参数和电磁涨落信息，并将数据输入一般鱼骨模色散关系求解器和频谱分析仪，然后一般鱼骨模色散关系求解器和频谱分析仪将各自计算得到的动理气球模频率传递给中央处理器；中央处理器比较一般鱼骨模色散关系求解器和频谱分析仪分别计算得到的频率，计算电子密度格林分数，根据计算的电子密度格林分数与设定阈值的比较结果，向托卡马克送气系统发送操作指令；送气控制系统收到指令后控制托卡马克送气设备开关和送气量。

所述系统还包括：电子回旋加热控制系统，电子回旋管和射频波天线，中央处理器输出端f与电子回旋加热控制系统连接，电子回旋加热控制系统与电子回旋管连接，电子回旋管与射频波天线连接，射频波天线与等离子体连接；电子回旋加热控制系统接收中央处理器发送的操作指令，电子回旋加热控制系统收到指令后控制电子回旋管的开关状态和输出功率大小。

一种等离子体密度极限破裂预警和缓解系统，所述系统包括：等离子体，扰动量测量诊断系统，平衡量测量诊断系统，频谱分析仪，一般鱼骨模色散关系求解器，中央处理器，电子回旋加热控制系统，电子回旋管和射频波天线；等离子体直接与扰动量诊断系统测量端连接，扰动量诊断系统输出端与频谱分析仪输入端连接，频谱分析仪输出端与中央处理器输入端c连接；等离子体直接与平衡量诊断系统测量端连接，平衡量诊断系统输出端a与一般鱼骨模色散关系求解器输入端连接，一般鱼骨模色散关系求解器输出端与中央处理器输入端a连接；中央处理器输出端f与电子回旋加热控制系统连接，电子回旋加热控制系统与电子回旋管连接，电子回旋管与射频波天线连接，射频波天线与等离子体连接；平衡量测量诊断系统和扰动量测量诊断系统分别从等离子体中测量等离子体平衡参数和动理气球模频率，并将数据输入一般鱼骨模色散关系求解器和频谱分析仪，然后一般鱼骨模色散关系求解器和频谱分析仪将各自计算得到的动理气球模频率传递给中央处理器；中央处理器比较一般鱼骨模色散关系求解器和频谱分析仪分别计算得到的频率，计算电子密度格林分数，根据计算的电子密度格林分数与设定阈值的比较结果，向电子回旋加热控制系统发送操作指令；电子回旋加热控制系统收到指令后控制电子回旋管的开关状态和输出功率大小。

所述平衡量诊断系统输出端b直接与中央处理器输入端b连接；当一般鱼骨模色散关系求解器计算得到的频率与频谱分析仪计算得到的频率一致时，中央处理器根据平衡量测量诊断系统输入的参数计算电子密度格林分数。

所述系统还包括：警示灯，中央处理器输出端g与警示灯连接。警示灯接收中央处理器发送的操作指令，警示灯收到指令后开始闪烁。

所述平衡量测量诊断系统包括激光干涉仪、汤姆逊散射系统、电荷交换谱仪、磁探针和动态斯塔克效应谱仪，激光干涉仪用于测量电子密度分布和电子线平均密度；汤姆逊散射系统用于测量电子密度；电荷交换谱仪用于测量离子温度；磁探针用于测量等离子体电流；动态斯塔克效应谱仪用于测量安全因子。

所述扰动量测量诊断系统包括微波干涉仪和微波反射计，用于测量动理气球模的频率和空间位置信息。

所述一般鱼骨模色散关系求解器用于分析一般鱼骨模色散关系，输入数据为平衡量测量诊断系统输出的电子密度分布、电子温度、离子温度、等离子体电流和安全因子等；输出数据为动理气球模的频率和增长率。

所述频谱分析仪用于分析扰动量测量系统输出的数据，通过傅里叶分析进行频率识别，输出数据为动理气球模频率。

本发明的有益技术效果在于：

1、本发明专利首次提出了等离子体密度破裂极限的预警参考物并且给出密度极限破裂可能的缓解方法，有利于避免和控制等离子体破裂的发生，从而保证磁约束聚变装置的安全性和稳定性。

2、本发明专利的预警参考物动理气球模可以长时间存在，这使得发明专利具有比较长的预警时间(超过40ms)，这有利于提高预警准确度。

3、本发明专利同时通过实验和理论计算两方面确认动理气球模的基本特征，这有利于增加预警有效性和降低预警系统的错误率。

附图说明

图1为本发明所提供的一种等离子体密度极限破裂预警和缓解系统方框示意图；

图2为HL-2A装置高密度实验中发现的动理气球模：(上)等离子体电流；(中)Greenwald分数，即电子线平均密度和格林密度比值；(下)微波干涉系统测量到的动理气球模，频谱中每一根深色条纹代表一支动理气球模。

图中：1-等离子体；2-平衡量测量诊断系统；3-扰动量测量诊断系统；4-一般鱼骨模色散关系求解器；5-频谱分析仪；6-中央处理器；7-送气控制系统；8-托卡马克送气系统；9-电子回旋加热控制系统；10-电子回旋管；11-射频波天线；12-警示灯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种等离子体密度极限破裂预警和缓解系统，包括：等离子体1，扰动量测量诊断系统2，平衡量测量诊断系统3，频谱分析仪4，一般鱼骨模色散关系求解器5，中央处理器6，送气控制系统7，托卡马克送气系统8，电子回旋加热控制系统9，电子回旋管10，射频波天线11，警示灯12。等离子体1直接与扰动量诊断系统3测量端连接，扰动量诊断系统3输出端与频谱分析仪5输入端连接，频谱分析仪5输出端与中央处理器6输入端c连接；等离子体1直接与平衡量诊断系统2测量端连接，平衡量诊断系统2输出端a与一般鱼骨模色散关系求解器4输入端连接，一般鱼骨模色散关系求解器4输出端与中央处理器6输入端a连接，此外，平衡量诊断系统2输出端b直接与中央处理器6输入端b连接；中央处理器6输出端e与送气控制系统7连接，送气控制系统7与托卡马克送气系统8连接，托卡马克送气系统8与等离子体1连接；中央处理器6输出端f与电子回旋加热控制系统9连接，电子回旋加热控制系统9与电子回旋管10连接，电子回旋管10与射频波天线11连接，射频波天线11与等离子体1连接；中央处理器6输出端g与警示灯12连接。

一种等离子体密度极限破裂预警和缓解系统具体实施方式如下：平衡量测量诊断系统2和扰动量测量诊断系统3分别从等离子体1中测量等离子体平衡参数和动理气球模频率，并将数据输入一般鱼骨模色散关系求解器4和频谱分析仪5，然后一般鱼骨模色散关系求解器4和频谱分析仪5将各自计算得到的动理气球模频率传递给中央处理器6。中央处理器6进行频率比较，当两者基本一致时，马上根据平衡量测量诊断系统2输入的参数计算电子密度Greenwald分数。当发现Greenwald分数高于设定阈值时，中央处理器6同时向送气控制系统7、电子回旋加热控制系统9和警示灯12发出指令。送气控制系统7收到指令后控制托卡马克送气设备8开关和送气量，电子回旋加热控制系统9收到指令后控制电子回旋管10的开关状态和输出功率大小，警示灯12收到指令后开始闪烁。当发现Greenwald分数低于设定阈值时，中央处理器6不向外发送指令。

所述等离子体1是指核聚变装置中高温等离子体，要求电子密度水平足够高以激发动理气球模，如图2所示。不难发现，当格林分数达到0.95时，动理气球模才激发，并且这种模式存在超过40ms，才会发生密度极限破裂(此时，电子密度快速下降)。动理气球模长时间存在给预警系统留下足够长的预警时间，这将使得系统具有更准确的工作性能。

所述平衡量测量诊断系统2主要用于测量等离子体平衡参数(电子密度分布、电子线平均密度、电子温度、离子温度、等离子体电流和安全因子)，包括但不限于激光干涉仪、汤姆逊散射系统、电荷交换谱仪、磁探针和动态斯塔克效应谱仪。其中激光干涉仪用于测量电子密度分布和电子线平均密度；汤姆逊散射系统用于测量电子密度；电荷交换谱仪用于测量离子温度；磁探针用于测量等离子体电流；动态斯塔克效应谱仪用于测量安全因子。

所述扰动量测量诊断系统3主要包括但不限于微波干涉仪和微波反射计，用于测量动理气球模的频率和空间位置信息。

所述一般鱼骨模色散关系求解器4主要用于分析一般鱼骨模色散关系，主要输入数据为平衡量测量诊断系统2输出的电子密度分布、电子温度、离子温度、等离子体电流和安全因子等；输出数据为动理气球模的频率和增长率。

所述频谱分析仪5主要用于分析扰动量测量系统3输出的数据，主要实施方式是通过傅里叶分析进行频率识别，输出数据为动理气球模频率。

所述中央处理器6具有三大功能：第一、比较一般鱼骨模色散关系求解器4和频谱分析仪5分别计算得到的频率；第二、计算电子密度格林分数；第三，向后端系统发送操作指令。

所述送气控制系统7可以接收中央处理器6的指令并控制托卡马克送气系统8的开关及送气量等。

所述托卡马克送气系统8具体执行送气控制系统7的指令，通过阀门控制送气量甚至直接关闭。

所述电子回旋加热控制系统9可以接收中央处理器6的指令并控制电子回旋管10的输功率、脉冲时间长度、注入时刻及注入位置等信息。

所述射频波天线11主要功能向等离子体中注入电子回旋波，电子回旋波不仅可以增强粒子输运，引起粒子泵出从而直接降低电子密度，还可以通过改变安全因子和磁剪切削弱动理气球模的驱动从而避免模式诱发密度极限破裂的可能性。值得注意的是，托克马克送气系统和电子回旋系统可以同时工作也可以分别单独工作。

所述警示灯12只有一般鱼骨模色散关系求解器4和频谱分析仪5的频率一致，并且收到中央处理器6的指令时才闪烁，否则熄灭。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。