未來託卡馬克聚變堆電站燃料注入方式的製作方法
2023-07-10 22:11:36
專利名稱:未來託卡馬克聚變堆電站燃料注入方式的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種核聚變反應堆燃料注入技術，具體是一種託卡馬克聚變反應堆的燃料注入技術。
背景技術：
在目前已有的大中型託卡馬克裝置運行中，為了抑制並降低等離子體破裂對裝置的偏濾器等結構造成破壞，或裝置停止運行時保證等離子體軟著陸，以至不會給裝置帶來極大破壞，以及等離子體放電時燃料的補充，通常是向等離子體區域噴射彈丸(固態惰性氣體)、液態惰性氣體或直接充入低壓惰性氣流(GAS PUFFER)。但這幾種燃料注入方式對於未來聚變堆來說，都存在一定缺陷，彈丸注入方式只能是直線彈道，這對於未來聚變堆電站不切實際，因為要從託卡馬克裝置外部將彈丸引到高場區，存在很多彎道，一旦輸運過程中有彎道，冰丸破損十分厲害，因此損耗嚴重。如果採用液態燃料噴射，液態燃料勢必會經過高溫包層區，輸送管道傳熱十分嚴重，液態燃料甚至會發生物理和化學變化，也不切實際。如果採用目前大多裝置使用的，直接充入低壓惰性氣流，由於噴嘴必須設計在裝置真空室內部，並且效率非常低，最大只能達到20％，如果用在未來聚變堆上，一旦經過很長的輸送管道，效率就更低。
發明內容
本發明提出了一種採用拉瓦噴嘴，採用超高壓氣體噴射方法，在等離子體高場區進行燃料注入，氣流速度可達到超音速，效率非常高，閥門遠離堆芯進行控制。
本發明的技術方案如下未來託卡馬克聚變堆電站燃料注入方式，其特徵是將高壓聚變堆燃料氣體通過管道輸入到真空室高場區，管道末端設置一個拉瓦噴嘴，使得噴嘴出口處的氣流速度達到超音速，進入等離子體高場區。
所述的拉瓦噴嘴出口處的氣流速度達到1500～3000m/s，噴嘴離等離子區的邊緣等離子體距離為15～25cm，拉瓦噴嘴出口處的氣流速度達到2670m/s，噴嘴離等離子區的邊緣等離子體距離為20cm，高壓聚變堆燃料氣體的大氣壓為100大氣壓，存儲在緩衝氣罐內，通過閥門控制輸出。
燃料氣體是氘氣或氚氣，輸氣管道是固定在託卡馬克裝置放電真空室的內部部件或包層上。
在託卡馬克裝置中，縱場線圈的截面為D形，根據整個託卡馬克裝置的磁場分布，在D形截面的直線段附近是磁場最強的區域，而在D形截面最外端，大弧段處，是磁場最弱的區域，因此我們通常把靠近D形截面直線段附近的等離子體稱為等離子體高場區，而靠近D形截面大弧段的等離子體稱為等離子體低場區。
採用數值分析方法模擬不同狀態高壓氣體從噴槍噴出後，在超高真空狀態下的速度場、馬赫數的分布，從而為託卡馬克工程的詳細設計提供依據，包括噴槍的數目，噴嘴直徑，噴嘴到等離子體距離以及其他相關尺寸。
圖1為本發明結構設計簡圖。
圖2為噴嘴附近射流速度分布。
圖3為噴嘴附近射流密度分布。
圖4為噴嘴附近射流馬赫數分布。
圖5為拉瓦噴嘴結構圖。
具體實施方式
參見圖1～圖6。
託卡馬克聚變堆電站燃料注入方式的氣路流程是首先聚變堆燃料氣體存儲在一個低壓儲氣罐內，然後經過壓縮機，氣流壓力升高到100個大氣壓，存儲在緩衝罐，最終由閥門控制，通過拉瓦噴嘴，氣流經過噴嘴收縮頸口，先壓縮，接著急劇膨脹，最大速度氣流可以達到2670m/s，馬赫數達到5，進入等離子體高場區。噴嘴離等離子區的邊緣等離子體距離為20cm，從緩衝罐到噴嘴距離為5m，管道直徑為10mm.。
對於等離子體及其邊緣區域，採用粒子聲速，其值不是空氣中聲速340m/s，它是隨等離子體區域溫度、真空度等條件變化的，在等離子體中心區域一般粒子聲速為105m/s，在等離子體邊緣要低些，但比普通聲速要高，上述馬赫數是氣流速度與等離子體粒子聲速的比值。
因為是真空室是超高真空區域，氣流一進入該區域立刻迅速擴散，密度急劇降低，所以要求氣流速度必須大於聲速，保證在幾個毫秒內有1026量級的燃料粒子數到達等離子體區域。噴嘴到邊緣等離子體距離不能大於20cm。
權利要求
1.未來託卡馬克聚變堆電站燃料注入方式，其特徵是將高壓聚變堆燃料氣體通過管道輸入到真空室高場區，管道末端設置一個拉瓦噴嘴，使得噴嘴出口處的氣流速度達到超音速，進入等離子體高場區。
2.根據權利要求
1所述的注入方式，其特徵在於所述的拉瓦噴嘴出口處的氣流速度達到1500～3000m/s，噴嘴離等離子區的邊緣等離子體距離為15～25cm，
3.根據權利要求
1所述的注入方式，其特徵在於拉瓦噴嘴出口處的氣流速度達到2670m/s，噴嘴離等離子區的邊緣等離子體距離為20cm，高壓聚變堆燃料氣體的大氣壓為100大氣壓，存儲在緩衝氣罐內，通過閥門控制輸出。
專利摘要
本發明公開了一種未來託卡馬克聚變堆電站燃料注入方式，其特徵是將高壓聚變堆燃料氣體通過管道輸入到真空室高場區，管道末端設置一個拉瓦噴嘴，使得噴嘴出口處的氣流速度達到超音速，進入等離子體高場區，有很高的輸入效率。
文檔編號G21B1/00GKCN1697090SQ200510038856
公開日2005年11月16日 申請日期2005年4月11日
發明者宋雲濤 申請人:中國科學院等離子體物理研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan