一种核聚变等离子体高约束模式控制方法与流程

本发明涉及核聚变等离子体高约束模式的人为控制技术领域，具体涉及一种核聚变等离子体高约束模式控制方法。

背景技术：

高约束模式(h模)最早在1981年德国的asdex装置上首次被发现。h模的基本特征是在托卡马克等离子体边缘区域出现径向陡峭压力分布的区域，也就是所谓的“边缘输运垒”。h模是相对于低约束模式(l模)来说的一种等离子体能量约束更好的约束模式。h模具有高的能量约束和高比压，以及适度的粒子输运速率(有利于排除氦灰和杂质)等性能，它是聚变堆达到自持燃烧等离子体条件的一个重要组成部分，h模是未来聚变堆理想的运行状态。它已经在各种磁约束位形装置(具有偏滤器或限制器位形的托卡马克、仿星器和串级磁镜等)上实现，是一种普遍存在的改善约束模。h模已经被定为iter运行的基本设计方案。

聚变等离子体从低约束模式向高约束模式转变的过程称为l-h转换。在传统的加料条件下，工作气体从等离子体边缘缓慢的补充，等离子体的密度剖面也逐渐变成适合l-h转换的边缘陡峭、中间平坦的形状。在这种密度剖面下，向外的粒子和热输运被大幅抑制，l-h就会自发产生。由于密度剖面的变化并不受人为控制，因此我们无法预知和控制l-h转换的时刻。

h模一般在等离子体的密度和加热功率达到一定阈值后自发实现，由于l-h 转换目前在理论上并没有完整的阐释，因此实验上也无法通过预设等离子体密度和加热等参数的方式人为的精确控制等离子体实现h模的时刻。目前l-h转换时刻的人为精确控制在仍然是理论和实验的盲区。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明要提供一种核聚变等离子体高约束模式控制方法，用以解决现有技术中聚变等离子体l-h转换只能自发实现，无法预知和人为控制的问题。

为了解决上述技术问题，本发明一种核聚变等离子体高约束模式控制方法，包括以下步骤：

步骤一、在欧姆加热条件下将以反馈送气的方式聚变等离子体的本底密度提升至略低于l-h转换的经验阈值；

步骤二、对等离子体进行辅助加热；

步骤三、当等离子体温度升高至稳定阶段后，注入高背压，短脉冲加料气束；等离子体在气束脉冲结束后短时间内将实现l-h转换。

进一步所述经验阈值依据聚变装置参数、等离子体参数以及加热条件确定。

进一步所述加料气束的背压为10-20个大气压，脉宽为2-5ms。

进一步所述经验阈值为1.5×10¹⁹m^-3至2×10¹⁹m^-3。

进一步所述的辅助加热采用中性束注入加热方式或射频加热方式。

进一步所述射频加热方式包括电子回旋加热，离子回旋加热，低杂波加热。

进一步所述等离子体在气束脉冲结束后10-20ms将实现l-h转换。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明通过在短时间内注入大量工作气体的方式，提高等离子体密度台基的高度，创造边缘输运垒，激发等离子体从l模到h模的转换，实现l-h转换时刻的人为可控。

在hl-2a装置上，在开始放电后的欧姆阶段，先通过反馈送气将等离子体的密度提升至1.8×10¹⁹/m³；在500ms处注入功率约900kw的中性束进行辅助加热。在后面的超声气束注入之前，没有出现l-h转换的迹象。在543ms处注入背压为10个大气压，脉宽为2ms的超声气束，在气束脉冲结束后约10ms观测到边缘再循环水平大幅下降，同时等离子体储能迅速爬升，这说明等离子体实现了从l模到h模的转换。如图3所示。中国环流器2号a上的实验结果表明，本发明一种核聚变等离子体高约束模式控制方法实现高约束模式是可行的。

附图说明

图1为本发明实施例一种核聚变等离子体高约束模式控制方法流程图；

图2为本发明实施例中国环流器2号a装置上超声气体射流沿hl-2a真空室大环直径在中平面垂直注入环形等离子体的示意图；

图3为本发明实施例一种核聚变等离子体高约束模式控制方法超声气束实现l-h转换的过程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

本发明一种核聚变等离子体高约束模式控制方法，在一定的等离子体本底 密度和加热功率下，在一个短脉冲内将大量工作气体注入等离子体，控制等离子体从l模到h模的转换。本发明基于一种新型的送气工具-超声气体或团簇射流注入器(zl200510105647.1)，这种注入器的原理是：高压气体通过拉瓦尔喷嘴进入真空可以形成超声分子束，相对于普通喷气，分子束具有更好的方向性和收束性，因而比普通的送气方式有更高的加料效率和注入深度。

如图1所示，本发明一种核聚变等离子体高约束模式控制方法，包括以下步骤：

步骤一、在欧姆加热条件下将以反馈送气的方式聚变等离子体的本底密度提升至略低于l-h转换的经验阈值。

该经验阈值依据聚变装置参数、等离子体参数以及加热条件确定；

例如最早发现h模的asdex装置，在其实现h模的一个参数区间中(等离子电流为300-370ka，双零位形，中性束注入功率大于2mw)，该密度阈值约为3-3.6×10¹⁹m^-3。(见文献[nuclearfusion,vol.29,no.11(1989)]图59)。

在hl-2a装置上实现h模的一个参数区间中(等离子体电流为150-180ka，单零位形，中性束注入功率约为900kw)，该密度阈值约为1.5-2×10¹⁹m^-3。

步骤二、对等离子体进行辅助加热。

辅助加热采用中性束注入加热方式或射频加热方式(包括电子回旋加热，离子回旋加热，低杂波加热)，本实施例优选采用中性束注入的加热方式。

理论上，如果等离子体的本底密度超过l-h转换的实际阈值，在辅助加热一段时间后会实现l模到h模的自发转换，但转换的时刻无法控制。

步骤三、当等离子体温度升高至稳定阶段后，注入背压为10-20个大气压，脉宽为2-5ms的超声气束；等离子体在气束脉冲结束后短时间内(10-20ms)将 实现l-h转换。

“发明名称：超声气体或团簇射流注入器，专利号为：zl200510105647.1”的专利文献中对超声气束做出了描述。

l-h转换出现的时间随聚变装置的不同而改变，10-20ms是中国环流器2号a(hl-2a)装置上的经验值。

下面以在中国环流器2号a(hl-2a)装置上实验过程为例，对本发明进行说明。

1)hl-2a装置上的超声气束注入器

图2为hl-2a装置上超声气束注入器系统的剖面示意图。该系统经过多次技术改造，目前的注入器阀门由液氮冷却，其作用是降低阀门内的工作气体温度至80-100k，使气体分子形成团簇，提高等离子体的注入深度。阀门工作气压最高为5mpa，通常工作气压低于3mpa。整个气体射流阀门组件固定在cf150法兰上，该法兰与hl-2a装置真空室管道连接。为了在超声气体射流注入期间获得较好的真空环境，在注入管道下方连接一台抽速为450l/s的涡轮分子泵。形成超声气体射流生存空间主要依靠安装在hl-2a装置真空室的4台涡轮分子泵，每台抽速3000/s。另外，加料对象高温等离子体本身也具备极大的抽速。脉冲超声气体射流注入hl-2a装置的示意图如图2所示。气体射流阀门与工作气体输气管道由a-lock接头连接，该接头既可以真空密封，又能承受高气压10mpa。

目前该套超声气束注入器的控制系统可以实现等离子体放电期间任意时刻，任意脉冲宽度和数量气束的注入，结合阀门后方气体储存单元内气体压力(又称背压)的调节，可以灵活实现不同的加料要求。

2)实际技术方案和效果

根据发明内容中所提出的技术流程，我们的实际操作如下：

a.在hl-2a装置上，在开始放电后的欧姆阶段，先通过反馈送气将等离子体的密度提升至1.8×10¹⁹/m³；

b.在500ms处注入功率约900kw的中性束进行辅助加热，在后面的超声气束注入之前，没有出现l-h转换的迹象；

c.在543ms处注入背压为10个大气压，脉宽为2ms的超声气束，在气束脉冲结束后约10ms观测到边缘再循环水平大幅下降，同时等离子体储能迅速爬升，这说明等离子体实现了从l模到h模的转换。

具体如图3所示，超声气束实现l-h转换的过程；图中denisty1为等离子体的平均密度，smbi为超声气束的控制信号，ha-div为偏滤器区域的第一级氢巴耳末系线辐射强度，表示等离子体边缘的再循环水平；w_e为等离子体的储能，nbi为中性束注入的加热功率。

中国环流器2号a上的实验结果表明，基于超声气束人为控制聚变等离子体实现高约束模式是可行的。