CN111312411B - 液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核聚变技术领域，具体涉及一种液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法。它包括：步骤一：降温；步骤二：调压，步骤三：压强平衡，接通高压气源，超声分子束注入装置内的气体压强很快平衡，断开高压气源；步骤四：液化，超声分子束注入装置内部的气体压强随即降低，惰性气体在装置内部开始液化；步骤五：循环，循环执行步骤三和步骤四，直到超声分子束注入装置内部的气体压强大于当前温度下的气体的饱和蒸气压；步骤六：注入，前述步骤完成后，根据外部信号，将形成的液化气体射流注入等离子体。本发明的效果是：在装置内部产生液化惰性气体，在等离子体破裂前利用气体本身的压强将液化惰性气体注入。

Description

液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法
技术领域
本发明属于核聚变技术领域，具体涉及一种液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法。
背景技术
在托卡马克放电试验中，由于等离子体控制、磁流体不稳定性、杂质、高能逃逸粒子等原因，使得等离子体的破裂难以避免。特别是在实现托卡马克聚变堆稳态运行的主要研究内容——维持稳态高参数等离子体的放电中，等离子体破裂放电会导致严重的破坏作用，如第一壁大的热负载，强的机械应力，大的逃逸电流等，甚至对偏虑器靶板、第一壁部件甚至装置造成严重损伤。目前等离子体破裂防护的方法是在破裂发生前迅速的向等离子体内部注入有大量惰性气体，或者注入破碎冰弹丸，以降低等离子体破裂的危害。
超声分子束注入是在常规喷气技术基础上发展起来的核聚变加料方法。在发明专利“超声气体或团簇注入器”(ZL201310301066.X)中，公开了一种超声气体注入装置，包含冷/热阱热沉，能够工作在液氮温度。较大气量的超声分子束注入也被用于等离子体破裂防护的研究。
目前等离子体破裂防护技术在应用中存在以下问题：
1)大量惰性气体注入。气体总体通过扩散的方式进入真空室，部分气体扩散进入等离子体，部分气体扩散到真空室器壁，经过与器壁的相互作用后进入等离子体，气体的效率较低。
2)破碎冰弹丸注入。惰性气体的冰弹丸注入是目前破裂防护效果较好的方法，但是惰性气体冰弹丸注入***庞大复杂，成本较高。且冰弹丸的尺寸不容易调节，注入的气体数量难以控制。
3)较大气量的超声分子束注入。超声分子束注入通常用于等离子体加料，注入的气体数量较少，即使调节超声分子束注入的参数加大送气量，但是对于破裂防护而言气体的数量仍显不足。
发明内容
本发明针对现有技术，提供一种液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法。
本发明是这样实现的：一种液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法，包括下述步骤：
步骤一：降温
对需要超声分子束注入装置中的热沉冷却降温，使其温度低于惰性气体的临界温度；
步骤二：调压
调节高压气源的压强，使其高于当前温度下惰性气体的饱和蒸气压；
步骤三：压强平衡
接通高压气源，超声分子束注入装置内的气体压强很快平衡，断开高压气源；
步骤四：液化
超声分子束注入装置内部的气体压强随即降低，惰性气体在装置内部开始液化；
步骤五：循环
循环执行步骤三和步骤四，直到超声分子束注入装置内部的气体压强大于当前温度下的气体的饱和蒸气压；
步骤六：注入
前述步骤完成后，根据外部信号，将形成的液化气体射流注入等离子体。
如上所述的一种液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法，其中，当需要注入的气体为液化氙气时，步骤一中的降温温度为273K。
如上所述的一种液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法，其中，所述的步骤二中的压强为4.2Mpa。
如上所述的一种液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法，其中，当需要注入的气体为液化氪气时，步骤一中的降温温度为203K。
如上所述的一种液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法，其中，所述的步骤二中的压强为4.7MPa。
如上所述的一种液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法，其中，当需要注入的气体为液化氩气时，步骤一中的降温温度为148K。
如上所述的一种液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法，其中，所述的步骤二中的压强为4.5MPa。
本发明的显著效果是：本发明利用装置可以耐低温和耐高气压的特点，在装置内部产生液化惰性气体，在等离子体破裂前利用气体本身的压强将液化惰性气体注入。液体密度远大于气体，液化惰性气体注入的数量足以达到防护等离子体破裂的需要。
具体实施方式
利用液氮或者其他冷却循环装置，对“超声分子束注入装置”中的热沉冷却降温，使其温度略低于惰性气体的临界温度；调节高压气源的压强，使其略高于当前温度下惰性气体的饱和蒸气压；接通高压气源，超声分子束注入装置内的气体压强很快平衡，断开高压气源；超声分子束注入装置内部的气体压强随即降低，惰性气体在装置内部开始液化；保持热沉的温度不变，若干次接通惰性气体气源，需要适当补充惰性气体，使超声分子束注入装置内部的气体压强大于当前温度下的气体的饱和蒸气压；直至装置中气体压强大致保持不变，液化过程完成；液化气体射流注入待触发；驱动电源得到信号被触发，装置阀门开启，装置内惰性气体的压强将液化惰性气体从阀门的喷口喷出，形成液化气体射流注入等离子体。
实施例(一)：
液化氙气射流注入防护等离子体破裂。氙气的临界温度为289.74K，临界压强为5.764MPa。所述的“超声分子束注入装置”中的热沉开始降温，使其温度略低于氙气的临界温度，如273K；温度为273K时氙气的饱和蒸气压为4.18MPa，调节氙气气源的压强直至大于当前温度氙气的饱和蒸气压，如4.2MPa；接通氙气气源，超声分子束注入装置内的气体压强很快平衡；断开氙气气源；超声分子束注入装置内部的氙气的压强随即降低，氙气在装置内部开始液化；保持热沉的温度273K不变，若干次接通氙气气源补充氙气，使超声分子束注入装置内部的氙气压强始终高于当前温度氙气的饱和蒸气压；直至装置中氙气压强大致保持不变，液化过程完成；液态氙气射流注入准备完毕，进入待触发状态；驱动电源得到信号被触发，装置阀门开启，在装置内氙气压强的作用下，液化氙气从阀门的喷口喷出，形成液化氙气射流注入等离子体。
实施例(二)
液化氪气射流注入防护等离子体破裂。氪气的临界温度为209.48K，临界压强为5.53MPa。所述的“超声分子束注入装置”中的热沉开始降温，使其温度略低于氪气的临界温度，如203K；温度为203K时氪气的饱和蒸气压为4.62MPa，调节氪气气源的压强直至大于当前温度氪气的饱和蒸气压，如4.7MPa；接通氪气气源，超声分子束注入装置内的气体压强很快平衡；断开氪气气源；超声分子束注入装置内部的氪气的压强随即降低，氪气在装置内部开始液化；保持热沉的温度203K不变，若干次接通氪气气源补充氪气，使超声分子束注入装置内部的氪气压强始终高于当前温度氪气的饱和蒸气压；直至装置中氪气压强大致保持不变，液化过程完成；液态氪气射流注入准备完毕，进入待触发状态；驱动电源得到信号被触发，装置阀门开启，在装置内氪气压强的作用下，液化氪气从阀门的喷口喷出，形成液化氪气射流注入等离子体。
实施例(三)
液化氩气射流注入防护等离子体破裂。氩气的临界温度为150.69K，临界压强为4.86MPa。所述的“超声分子束注入装置”中的热沉开始降温，使其温度略低于氩气的临界温度，如148K；温度为148K时氩气的饱和蒸气压为4.41MPa，调节氩气气源的压强直至大于当前温度氩气的饱和蒸气压，如4.5MPa；接通氩气气源，超声分子束注入装置内的气体压强很快平衡；断开氩气气源；超声分子束注入装置内部的氩气的压强随即降低，氩气在装置内部开始液化；保持热沉的温度203K不变，若干次接通氩气气源补充氩气，使超声分子束注入装置内部的氩气压强始终高于当前温度氩气的饱和蒸气压；直至装置中氩气压强大致保持不变，液化过程完成；液态氩气射流注入准备完毕，进入待触发状态；驱动电源得到信号被触发，装置阀门开启，在装置内氩气压强的作用下，液化氩气从阀门的喷口喷出，形成液化氩气射流注入等离子体。
所述的超声分子束注入装置具有***相对简单，***本身具有耐低温和耐高气压的特点，满足惰性气体冷却加压液化的条件；超声分子束注入***可以灵活控制阀门开启的时间从而控制液化气体射流注入的气体数量；在必要的时候可以改变超声分子束注入装置的喷嘴形状，改变液化气体射流的形态，形成雾化喷射注入的方式，开展多样的等离子体破裂防护的研究。目前超声分子束注入***能够工作在液氮温度，因此临界温度高于100K的惰性气体比如氩气、氪气和氙气均可用于液化气体射流注入的实验研究。
主要发明点：利用“一种超声分子束注入装置”，将装置降低温度至惰性气体的临界温度以下，同时提高气体压强并超过当前温度下的饱和蒸气压，在装置中将惰性气体液化，利用气体本身的压强将液化惰性气体喷出，形成液体射流注入等离子体，用于防护等离子体破裂。

Claims (1)

1.一种液化惰性气体射流注入防护等离子体破裂的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一：降温
对需要超声分子束注入装置中的热沉冷却降温，使其温度低于惰性气体的临界温度；
步骤二：调压
调节高压气源的压强，使其高于当前温度下惰性气体的饱和蒸气压；
步骤三：压强平衡
接通高压气源，超声分子束注入装置内的气体压强很快平衡，断开高压气源；
步骤四：液化
超声分子束注入装置内部的气体压强随即降低，惰性气体在装置内部开始液化；
步骤五：循环
循环执行步骤三和步骤四，直到超声分子束注入装置内部的气体压强大于当前温度下的气体的饱和蒸气压；
步骤六：注入
前述步骤完成后，根据外部信号，将形成的液化气体射流注入等离子体；利用气体本身的压强将液化惰性气体喷出，形成液体射流注入等离子体，用于防护等离子体破裂；
当需要注入的气体为液化氪气时，步骤一中的降温温度为203K；
所述的步骤二中的压强为4.7MPa。
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