[發明專利]一種基于緊湊環等離子體的單級高速加料系統

在審

• 申請號: 202110249767.8
• 申請日: 2021-03-08
• 公開（公告）號: CN113035379A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 孔德峰;董期龍;蘭濤;葉揚;張壽彪;莊革;陳晨;張森;趙志豪;孟凡衛;楊坤
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院;合肥綜合性國家科學中心能源研究院（安徽省能源實驗室）;石河子大學
• 主分類號: G21B1/15
• 分類號: G21B1/15
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗

本發明涉及一種基于緊湊環等離子體的單級高速加料系統，采用緊湊環等離子體作為燃料粒子，采用單級電容完成緊湊環等離子體的前端形成與后端加速過程，形成具有圓柱狀的單級高速加料系統；加料系統包括主機裝置與單級電容，主機裝置包括螺線管、金屬圓柱內電極、金屬圓柱外電極；采用單級電容來完成緊湊環等離子體的形成與加速過程，有利于節約建造成本；主機裝置尾部的金屬圓柱內電極與金屬圓柱外電極比值為1/5，顯著提高了緊湊環等離子體的速度與加速效率。本發明解決了現有的加料手段，如補充送氣，超聲分子束以及彈丸均難以實現的芯部加料問題并為核聚變裝置中提高等離子體的約束，抑制MHD模，減輕等離子體破裂等提供了技術手段。

技術領域

本發明涉及核聚變技術領域，特別涉及一種基于緊湊環等離子體的單級高速加料系統。

背景技術

中國聚變工程實驗堆(CFETR)確立了兩個主要的目標，分別是實現1GW的穩態聚變功率以及實現氚自持。現有的研究結果表明，將燃料粒子(氘和氚)直接注入芯部等離子體既能夠顯著提高芯部等離子體的聚變功率，同時能顯著降低對氚增值率(TBR)的要求，進而實現CFETR氚自持的目標。芯部加料已經成為控制聚變燃燒等離子體的核心手段之一。現有的加料手段，如補充送氣，超聲分子束以及彈丸均難以實現芯部加料。

為磁約束聚變反應堆添加燃料是一項重要的研究課題，尤其對于大型的托卡馬克裝置，如何克服強大的磁場排斥作用，將燃料直接注入到反應的核心區域，一直是科研人員努力解決的問題。傳統的加料方法，如：彈丸注入、超聲氣體注入、等離子體射流等等，對燃料粒子的加速效果分別為小于1km/s到30km/s不等，不足以直接穿透到高溫高密的托卡馬克中心區域。

因此，目前現有的加料技術存在，如補充送氣，超聲分子束以及彈丸均難以實現的芯部加料問題。

發明內容

本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于緊湊環等離子體的單級高速加料系統，解決了現有的加料手段，如補充送氣，超聲分子束以及彈丸均難以實現的芯部加料問題，并為核聚變裝置中提高等離子體的約束，抑制MHD模，緩解等離子體破裂提供新的技術路徑。

本發明的技術方案如下：一種基于緊湊環等離子體的單級高速加料系統，采用緊湊環等離子體作為燃料粒子，采用單級電容完成緊湊環等離子體的前端形成與后端加速過程，形成具有圓柱狀的單級高速加料系統。

所述單級高速加料系統包括主機裝置與單級電容；所述主機裝置包括螺線管線圈、焊接在一起的兩個半徑不同的金屬圓柱內電極、單個金屬圓柱外電極和注氣窗口，兩個半徑不同的金屬圓柱內電極即前端金屬圓柱內電極和后端金屬圓柱內電極；自內而外依次為最內部的螺線管線圈通過絕緣材料固定在金屬圓環蓋板上，中間是兩個半徑不同的金屬圓柱內電極，兩個半徑不同的金屬圓柱內電極的外層是單個金屬圓柱外電極，所述單個金屬圓柱外電極上開有若干個徑向均勻分布的注氣窗口，通過該注氣窗口注入的燃料氣體在金屬圓柱內電極、金屬圓柱外電極之間擴散，通過單級電容的電離與加速，注入的燃料氣體形成致密的緊湊環等離子體。

所述前端金屬圓柱內電極與后端金屬圓柱內電極的長度比值為3/7，后端金屬圓柱內電極與單個金屬圓柱外電極的半徑比值為1/5，具有上述特征的加料系統顯著提高緊湊環等離子體的速度與加速效率，加料系統產生的緊湊環等離子體的速度150km/s—1000km/s，加速效率20％—50％，作為燃料粒子的緊湊環等離子體足以直接穿透到高溫高密的托卡馬克中心區域，解決現有的加料手段難以實現的芯部加料問題。

所述加料系統產生的緊湊環等離子體具有大于1.6×10^-3N·S的動量與大于10²¹m^-3的密度，通過將緊湊環等離子體注入托卡馬克等離子體中心區域等能夠控制托卡馬克等離子體的環向流動速度，提高托卡馬克等離子體的約束，抑制MHD模，緩解托卡馬克等離子體破裂。

所述金屬圓柱外電極末端焊接一個金屬圓環板法蘭，該金屬圓環板法蘭在實驗測試時用來與測試平臺或者漂移管所連接。