[发明专利]适用于聚变装置的利用电磁轨道加速弹丸的芯部加料系统及方法

说明书

本发明公开了一种适用于聚变装置的利用电磁轨道加速弹丸的芯部加料系统及方法，具体涉及一种新型利用电磁轨道加速等离子体原理推动弹丸高速运行并用于未来大型聚变装置芯部加料的方法和装置，包括：轨道枪、水冷线圈、轨道枪舱体、充气系统、光电倍增管装置、弹丸注入系统、脉冲电源、脉冲激光器、磁探针；利用弹丸注入系统配合充气，电离气体产生等离子体在轨道枪内推进弹丸注入磁约束聚变装置芯部，从而使磁约束聚变装置维持聚变反应条件。本发明与目前聚变堆装置弹丸注入系统相比，弹丸注入速度更高，加料效率更高，极大的提高了聚变堆稳态运行的可能性。

技术领域

本发明属于等离子体加速及受控核聚变等离子体研究技术领域，具体涉及一种适用于聚变装置的利用电磁轨道加速弹丸的芯部加料系统及方法。

背景技术

磁约束聚变装置需要一个高速、高效、可靠的加料系统使弹丸穿过等离子体边缘层进入高温堆心，因此深度反应堆燃料添加技术是备受关注的重要问题。然而，常规的弹丸注入方法面临着诸多挑战，首先需要保证加料效率，即保证足够的弹丸速度使得弹丸在融化前进入堆心，同时需要足够的注入频率以保证加料过程的连续性；其次，在弹丸注入过程中同时必须保证反应堆无有害杂质进入，否则由于轫致辐射损失极易影响等离子体的形成和稳定；最后是需要有效地抑制弹丸注入引起的边缘局域模。

目前及未来的ITER装置主要的加料手段包括：普通充气、超声分子束注入充气及弹丸注入的方式。其中普通充气的方式相应时间大于0.2s，注入速度慢。超声分子束注入形成超声分子束流SMBI的速度在400～1200m/s之间，粒子沉积位置在最外磁面内3～8cm处(欧姆放电下)，SMBI延迟时间：2～6ms。弹丸注入是通过气体推进的弹丸注入系统注入到等离子体，现有的弹丸注入方法的弹丸速度(1km/s)和注入频率(1Hz)明显不足。

因此，针对目前弹丸注入方法为大型磁约束装置加料效率不足的问题，为了达到实际聚变堆对芯部燃料添加的要求，亟需提出一种可以显著地提升托卡马克加料效率的装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于聚变装置的利用电磁轨道加速弹丸的芯部加料系统及方法，用于解决大型磁约束聚变堆芯部加料效率不足的问题，以达到实际聚变堆对芯部燃料添加的要求。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种适用于聚变装置的利用电磁轨道加速弹丸的芯部加料系统，包括轨道枪、第一水冷线圈、第二水冷线圈、轨道枪舱体、充气系统、光电倍增管装置、弹丸注入系统、脉冲电源、脉冲激光器和磁探针；所述弹丸注入系统一端紧密相连于充气系统；所述光电倍增管装置连接于弹丸注入系统和轨道枪中间；所述磁探针放置于磁探针放置口，用于测量轨道加速的弹丸速度以实现弹丸速度的测量与控制；充气系统连接口左侧连接充气系统，上方连接弹丸注入系统，右侧连接轨道枪舱体，舱体本体左侧为磁探针放置口，舱体本体连接真空系统；所述轨道枪为弹丸的加速推动装置，第一绝缘体，第二绝缘体与第一导体，第二导体构成枪管；所述枪管整体为中空圆柱形结构，枪管的末端还装有真空抽气装置；所述第一增强轨道，第二增强轨道置于轨道枪轨道两旁并由轨道支撑结构固定；所述第一水冷线圈，第二水冷线圈分别置于轨道枪轨道上下方并由轨道支撑结构固定。

进一步地，所述轨道枪由钨铜合金轨道与陶瓷轨道形成密封孔状结构。

进一步地，所述第一、第二水冷线圈用于产生2T以上磁场，绝缘材料制成的所述轨道支撑结构保所有证轨道不会震动。

进一步地，所述弹丸注入频率可达到50Hz；所述弹丸速度可达到5km/s及以上。

进一步地，所述轨道支撑结构包括第一轨道支撑结构、第二轨道支撑结构、第三轨道支撑结构和第四轨道支撑结构；所述第一轨道支撑结构与第二轨道支撑结构结合固定第一水冷线圈，第二轨道支撑结构与第三轨道支撑结构固定轨道枪轨道、第一增强轨道、第二增强轨道，所述第一增强轨道、第二增强轨道置于轨道枪轨道两侧，第三轨道支撑结构与第四轨道支撑结构固定第二水冷线圈。