[发明专利]基于水平位移控制和磁能转移的逃逸电子束位移控制方法

说明书

本发明公开了一种基于水平位移控制和磁能转移的逃逸电子束位移控制方法，基于托卡马克装置上的等离子体水平位移控制系统；在等离子体破裂的瞬间，根据破裂后逃逸电子的运动特征，将等离子体位移设置到与其运动方向相反的位置，并确定水平位移偏差的大小和方向；采用托卡马克装置上的磁能转移装置，将开关触发控制端连接到托卡马克中央控制系统；等离子体破裂瞬间，托卡马克中央控制系统发出破裂动作信号触发快速开关导通，通过等离子体电流的变化，在磁能转移线圈上感应出与等离子体电流方向相同的电流。本发明使得逃逸电子束能够长时间约束在装置内，以便于有充足的时间采取破裂缓解措施；且本发明不需要复杂的技术手段，简单可靠，实现成本低。

技术领域

本发明涉及磁约束等离子体破裂防护领域，具体是涉及一种基于水平位移控制和磁能转移对破裂产生的逃逸电子施加一个与其径向漂移方向相反的电磁力，实现逃逸电子束位移控制的方法。

背景技术

托卡马克被认为是最有希望实现可控聚变的反应器，然而破裂是制约未来大型托卡马克装置正常运行的重大不稳定因素并且难以避免。当等离子体发生破裂时，大量的储能会瞬间释放出来，其对装置造成的危害主要体现在：对真空室和等离子体第一壁的局部产生强烈的热负荷和电磁应力，并导致高能逃逸电子产生这三个方面。其中高能逃逸电子的破坏性尤为显著，对未来的大型聚变反应器，例如ITER而言，其逃逸电流可达10MA,相对应的逃逸电子的能量有100MeV，携带这么高能量的电子直接撞击到装置壁上将会对装置造成致命的危害。因此若能及时地对逃逸电子地能量进行耗散或转移，将是一种有效地破裂缓解方法。

目前最常用的破裂缓解方法是杂质注入，并且这种方法也将沿用到ITER破裂缓解当中。杂质注入的方法主要是在破裂发生时往真空室里面注入大量的杂质气体，通过快速提高杂质离子的密度的方式使等离子体的能量以热辐射的形式损失出去；并且注入的杂质气体在真空室内被电离后会增加电子的密度，从而增加破裂过程中产生的逃逸电子的碰撞摩擦力，有效的抑制逃逸电子的产生；除此之外，杂质气体注入还可以有效提高破裂期间等离子体电流的猝灭速率，使等离子体电流在与装置第一壁接触之前就能降低到比较小的水平，在一定程度上可以缓解垂直位移不稳定性事件产生的晕电流与电磁力的影响。

增强破裂期间等离子体芯部的磁扰动也能有效缓解破裂产生的逃逸电子对装置的危害。在破裂的过程中等离子体中的电子仍被约束在等离子体芯部的完整磁面内，受到环向感应电场的加速最终演化成逃逸电子。对等离子体芯部施加磁扰动，芯部的磁面结构将受到破坏，有助于降低对逃逸电子的约束并且增强逃逸电子的径向输运，在一定程度上促进逃逸电子损失，有利于抑制逃逸电流的产生。

此外，在已经授权的公告号为CN104637549B的中国发明专利“托卡马克等离子体破裂电磁能量导出的破裂缓解方法及装置”中，还提到了一种基于电磁耦合的原理，在等离子体发生破裂的瞬间将等离子体部分磁能转移到真空室的外面的方法与装置，这种方法可以在一定程度上减小破裂期间耗散在真空室内的总能量，从而有利于减少装置内的能量沉积、缓解破裂时等离子体所携带的巨大能量对等离子体第一壁及其内部组件的危害。

然而上述的破裂缓解方法均无法稳定可靠的实现逃逸电子的完全抑制以及逃逸电子能量的完全耗散，这就向本领域的研究工作者提出了一个崭新的课题，在有逃逸电子存在的情况下，通过采取本发明所述的方法对逃逸电子的水平位移进行控制，以便能有充足的时间采取破裂缓解措施，从而减轻破裂对装置带来的危害。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于水平位移控制和磁能转移的逃逸电子束位移控制方法，通过水平位移控制系统和磁能转移系统对逃逸电子施加一个与其水平位移方向相反的电磁力，进而控制逃逸电子束的水平位移，使其能较长时间的处于相对安全的位置，以便能有充足的时间对逃逸电子的能量进行耗散或转移，缓解逃逸电子撞壁对装置造成的危害。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于水平位移控制和磁能转移的逃逸电子束位移控制方法，包括以下步骤：