一种满足千秒量级等离子体的粒子排除结构及方法

技术领域

本发明涉及聚变反应堆领域，主要涉及一种满足千秒量级等离子体的粒子排除结构及方法。

背景技术

能源是人类文明得以维持和发展的基础。高效、清洁、安全、原料丰富的磁约束热核聚变能可以说是人类解决能源危机的最佳途径。国际热核聚变实验堆（ITER）全面建设为磁约束热核聚变研究提供了前所未有的机遇。

粒子的有效排除是影响托卡马克运行的关键科学问题，是获得长脉冲高参数等离子体运行的重要保障。在聚变装置内等离子体放电过程中，杂质及燃料粒子从芯部向外部输运，经刮削层在磁力线引导下进入偏滤器区域并中性化，偏滤器将中性化后的粒子汇聚收集，需粒子排除系统将中性气体实时快速排出等离子体。对于长脉冲等离子体稳态运行而言，偏滤器粒子高效排除对长脉冲密度的稳定控制至关重要，避免等离子体因密度极限而发生破裂。

为了提高粒子的排除效率，一般使用抽速更大、更多的真空泵机组，包括分子泵、低温泵等。分子泵由于对小分子氢同位素的压缩比较小，因此对燃料粒子氢同位素的抽速较小。同时，在未来聚变装置中，由于偏滤器位置工作气压在1-10Pa，将极大的降低分子泵对粒子的排除效率。低温泵利用低温冷凝、吸附的方式，实现对杂质及燃料气体强有力的吸附。然而，由于聚变等离子体的工作介质是氢同位素，而一般的低温泵抽氢能力有限，不能适应实际使用的要求，因此各个装置根据需要研制了各种抽氢型低温泵。在提高真空泵抽气能力的基础上，偏滤器位置中性粒子移除路径的流导大小以及粒子排出路径的长短也至关重要，因为真空泵抽气速度取决于泵的抽速和抽气管道的流导。

在聚变装置长脉冲放电中，单一的技术升级无法满足长时间放电粒子排出的需求。在东方超环（EAST）聚变装置上，已经发现了简单的通过增加偏滤器粒子排出通道无法及时、长时间带走放电产生粒子的先例，当打击点控制在偏滤器垂直靶板，离粒子排出通道较远时，偏滤器中性气压较大，导致粒子返流到等离子体。同时，商用的低温泵也无法满足粒子抽速的需求，存在抽速小（对氢大约10m

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种满足千秒量级等离子体的粒子排除结构及方法，以解决未来聚变堆装置长脉冲等离子体稳态运行密度控制的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种满足千秒量级等离子体的粒子排除结构，包括偏滤器内靶板、偏滤器外靶板、偏滤器Dome板、内外打击点、上下内置式低温泵、插板阀和外置式低温泵；所述的聚变装置是磁约束等离子体放电设施，所述的等离子体在聚变装置内部的真空室内，所述的偏滤器内靶板、偏滤器外靶板、偏滤器Dome板共同组成聚变装置内的偏滤器，在偏滤器内靶板、偏滤器外靶板与偏滤器Dome板之间分别布置有偏滤器粒子排出通道；所述的内外打击点是等离子体与偏滤器内靶板、偏滤器外靶板的作用区域，所述的上下内置低温泵布置在聚变装置的真空室壁上，位于偏滤器外靶板背面，所述的插板阀是外置式低温泵与聚变装置真空室的真空隔断设备；所述外置式低温泵安装在聚变装置的顶部、底部管道上。

进一步地，等离子体的两个内外打击点分别落到偏滤器内靶板和偏滤器外靶板上，在等离子体放电过程中大量的粒子进入偏滤器并中性化，偏滤器将中性化后的粒子汇聚收集。

进一步地，所述偏滤器粒子排出通道的尺寸比原来的粒子排出通道增大近一倍，提高粒子的排除效率。

进一步地，增加所述外置式低温泵的内部活性碳表面积及低温冷量，提高外置式低温泵的容量及抽速。

进一步地，所述等离子体为离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态，约束在聚变装置内部。

本发明还提供一种满足千秒量级等离子体的粒子排除结构的粒子排除方法，包括如下步骤：

步骤1：增大偏滤器内靶板与偏滤器Dome板之间，以及偏滤器外靶板与偏滤器Dome板之间的间隙，从而增加偏滤器粒子排出通道的尺寸；

步骤2：利用包括超长时间尺度下的电磁测量积分器信号漂移校准技术和完全非感应等离子体电流驱动反馈控制技术的先进等离子体控制技术，在等离子体放电中优化偏滤器位形，使得内外打击点落到偏滤器水平靶板上，所述的水平靶板是偏滤器内靶板、偏滤器外靶板的水平部分，缩短粒子到偏滤器抽气口的距离，提高粒子的排除效率；所述的先进等离子体控制技术实现偏滤器位形的精确控制，实现X 点及内外打击点的精确控制，所述X点指的是磁场零点，将偏滤器的内外打击点控制在离偏滤器粒子排出通道更近的位置，缩短偏滤器粒子的排出路径；

步骤3：利用大抽速的环形的内置式低温泵和大容量的外置式低温泵组合，提供粒子的排出速度与容量，提高千秒量级等离子体放电中粒子的抽除速度与长时间稳态粒子的排除能力。

进一步地，所述大抽速的环形的内置式低温泵布置在聚变装置内部，安装在偏滤器背面的真空室壁上，利用低温冷凝的方式，将内置式低温泵的管道降温到10K以下，实现对杂质及燃料气体的强有力的吸附；所述的外置式低温泵安装在聚变装置顶部、底部的窗口上，通过增加冷泵内部活性碳表面积及低温冷量，提高外置式低温泵的容量及抽速。

进一步地，所述大抽速、环形的内置式低温泵，布置于聚变装置内部，极大地缩减了抽气路径，增加了抽气流导，同时由于其表面积大，抽气速率大，满足大流量气体的抽气需求。所述的外置低温泵安装在聚变装置顶部、底部窗口上，通过增加低温泵内部活性碳表面积及低温冷量等，提高外置低温泵的容量及抽速，保证低温泵千秒量级等离子体放电中不饱和。

所述的满足千秒量级等离子体的粒子排除方法为以上三种技术的协同控制方法，首先使用先进的等离子体控制技术使得等离子体打击点精确控制到偏滤器的水平靶板，这样中性化的燃料粒子距离偏滤器粒子排出通道更近，流导更大；同时配合增大的偏滤器粒子排出通道，将聚集在偏滤器水平靶板的粒子排出偏滤器区域；最后通过偏滤器背面及外置式的大容量、大抽速的冷泵组合，实现粒子及时抽速、长时间存储。通过以上三种技术协同，确保在托卡马克有限的空间尺度粒子排除路径畅通，保证长时间尺度等离子体粒子的持续排除与收集，减少粒子返流。所述的聚变装置为磁约束聚变反应堆装置，利用强磁场将氢同位素气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至上亿摄氏度高温来实现聚变反应，释放出能量。

所述的粒子包括杂质及燃料粒子，其中杂质主要来自器壁材料的释放、空气及水的泄漏等，燃料粒子为氢同位素氢、氘及氚。

上述结构在聚变装置长脉冲等离子体放电过程中，利用等离子体位形的精确控制技术，将内外打击点控制在距离偏滤器抽气口近的区域，通过增大偏滤器排气通道、缩减粒子排出路径，以及大抽速内置式、大容量外置式的低温泵组合实现对粒子的有效排除。

本发明的优点是：

本发明采用增加偏滤器抽气流导设计、缩减粒子的排出路径以及提高低温泵抽气能力三种方式协同工作，提高千秒量级等离子体放电中粒子的排除效率。在聚变装置高温等离子体放电过程中，设计增大的偏滤器靶板与Dome板之间间隙，增加偏滤器位置粒子流的排出通道，进而增加抽气流导；利用先进的等离子体控制技术，使得打击点落到偏滤器水平靶板上，缩短粒子到偏滤器抽气口的距离，缩减了粒子的排出路径；利用大抽速、环形内置式低温泵和大容量的外置低温泵组合，提高千秒量级等离子体放电中粒子的抽气速度与长时间稳态抽气能力。

附图说明

图1是本发明的一种满足千秒量级等离子体的粒子排除结构示意图；

图中：1-聚变装置、2-等离子体、3-偏滤器内靶板、4-偏滤器外靶板、5-偏滤器Dome板、6-内外打击点、7-上下内置式低温泵、8-插板阀、9-外置式低温泵、10-偏滤器粒子排出通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种满足千秒量级等离子体的粒子排除结构包括偏滤器内靶板3、偏滤器外靶板4、偏滤器Dome板5、内外打击点6、上下内置式低温泵7、插板阀8和外置式低温泵9。所述的聚变装置1是磁约束等离子体放电设施，所述的等离子体2在聚变装置1内部的真空室内，所述的偏滤器内靶板3、偏滤器外靶板4、偏滤器Dome板5共同组成聚变装置1内的偏滤器，偏滤器内靶板3、偏滤器外靶板4与偏滤器Dome板5之间分别布置有偏滤器粒子排出通道10。所述的内外打击点6是等离子体2与偏滤器内靶板3、偏滤器外靶板4的重要作用区域，所述的上下内置低温泵7布置在聚变装置1真空室壁上，偏滤器外靶板4后面，所述的插板阀8是外置式低温泵9与聚变装置1真空室的真空隔断设备。

作为关键部件的聚变装置1偏滤器结构，包括偏滤器内靶板3、偏滤器外靶板4、偏滤器Dome板5，等离子体的两个内外打击点6分别落到偏滤器内靶板3和偏滤器外靶板4上，在等离子体2放电过程中大量的粒子进入偏滤器区域并中性化，偏滤器将中性化后的粒子汇聚收集；新型的偏滤器增加偏滤器内靶板3与偏滤器Dome板5之间，以及偏滤器外靶板4与偏滤器Dome板5之间的间隙，即增加了偏滤器粒子排出通道10，当前优化后的粒子排出通道约53mm，比原来的粒子排出通道（28mm）大了近一倍，提高粒子的排除效率。

作为关键部件的上下内置式低温泵7布置于聚变装置1内部，安装在偏滤器外靶板4背面的真空室壁上，极大地缩减了粒子的排除路径，提高抽气能力。作为关键部件的外置式低温泵9安装在聚变装置1顶部、底部管道上，通过增加外置式低温泵9内部活性碳表面积及低温冷量等，提高外置式低温泵9的容量及抽速。

作为关键部件的聚变装置1为磁约束聚变反应堆装置，采用螺旋磁场把氢同位素的等离子体2约束在聚变装置1内部，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。

作为关键部件的等离子体2为离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态，约束在磁约束聚变装置内部。

本发明的一种满足千秒量级等离子体的粒子排除方法具体的工作流程如下：首先设计增大的偏滤器内靶板3、偏滤器外靶板4与偏滤器Dome板5之间间隙，增加偏滤器位置粒子流的排出通道，进而增加了抽气流导；利用先进的等离子体控制技术，包括超长时间尺度下的电磁测量积分器信号漂移校准技术和完全非感应等离子体电流驱动反馈控制技术，将内外打击点6精确控制到距离偏滤器粒子排出通道10近的偏滤器靶板区域，缩减了粒子的排出路径；利用大抽速、环形内置式低温泵（抽速约70m

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。