专利名称:未来托卡马克聚变堆电站燃料注入方式的制作方法
技术领域：
本发明属于一种核聚变反应堆燃料注入技术，具体是一种托卡马克聚变反应堆的燃料注入技术。
背景技术：
在目前已有的大中型托卡马克装置运行中，为了抑制并降低等离子体破裂对装置的偏滤器等结构造成破坏，或装置停止运行时保证等离子体软着陆，以至不会给装置带来极大破坏，以及等离子体放电时燃料的补充，通常是向等离子体区域喷射弹丸(固态惰性气体)、液态惰性气体或直接充入低压惰性气流(GAS PUFFER)。但这几种燃料注入方式对于未来聚变堆来说，都存在一定缺陷，弹丸注入方式只能是直线弹道，这对于未来聚变堆电站不切实际，因为要从托卡马克装置外部将弹丸引到高场区，存在很多弯道，一旦输运过程中有弯道，冰丸破损十分厉害，因此损耗严重。如果采用液态燃料喷射，液态燃料势必会经过高温包层区，输送管道传热十分严重，液态燃料甚至会发生物理和化学变化，也不切实际。如果采用目前大多装置使用的，直接充入低压惰性气流，由于喷嘴必须设计在装置真空室内部，并且效率非常低，最大只能达到20％，如果用在未来聚变堆上，一旦经过很长的输送管道，效率就更低。
发明内容
本发明提出了一种采用拉瓦喷嘴，采用超高压气体喷射方法，在等离子体高场区进行燃料注入，气流速度可达到超音速，效率非常高，阀门远离堆芯进行控制。
本发明的技术方案如下未来托卡马克聚变堆电站燃料注入方式，其特征是将高压聚变堆燃料气体通过管道输入到真空室高场区，管道末端设置一个拉瓦喷嘴，使得喷嘴出口处的气流速度达到超音速，进入等离子体高场区。
所述的拉瓦喷嘴出口处的气流速度达到1500～3000m/s，喷嘴离等离子区的边缘等离子体距离为15～25cm，拉瓦喷嘴出口处的气流速度达到2670m/s，喷嘴离等离子区的边缘等离子体距离为20cm，高压聚变堆燃料气体的大气压为100大气压，存储在缓冲气罐内，通过阀门控制输出。
燃料气体是氘气或氚气，输气管道是固定在托卡马克装置放电真空室的内部部件或包层上。
在托卡马克装置中，纵场线圈的截面为D形，根据整个托卡马克装置的磁场分布，在D形截面的直线段附近是磁场最强的区域，而在D形截面最外端，大弧段处，是磁场最弱的区域，因此我们通常把靠近D形截面直线段附近的等离子体称为等离子体高场区，而靠近D形截面大弧段的等离子体称为等离子体低场区。
采用数值分析方法模拟不同状态高压气体从喷枪喷出后，在超高真空状态下的速度场、马赫数的分布，从而为托卡马克工程的详细设计提供依据，包括喷枪的数目，喷嘴直径，喷嘴到等离子体距离以及其他相关尺寸。
图1为本发明结构设计简图。
图2为喷嘴附近射流速度分布。
图3为喷嘴附近射流密度分布。
图4为喷嘴附近射流马赫数分布。
图5为拉瓦喷嘴结构图。
具体实施方式
参见图1～图6。
托卡马克聚变堆电站燃料注入方式的气路流程是首先聚变堆燃料气体存储在一个低压储气罐内，然后经过压缩机，气流压力升高到100个大气压，存储在缓冲罐，最终由阀门控制，通过拉瓦喷嘴，气流经过喷嘴收缩颈口，先压缩，接着急剧膨胀，最大速度气流可以达到2670m/s，马赫数达到5，进入等离子体高场区。喷嘴离等离子区的边缘等离子体距离为20cm，从缓冲罐到喷嘴距离为5m，管道直径为10mm.。
对于等离子体及其边缘区域，采用粒子声速，其值不是空气中声速340m/s，它是随等离子体区域温度、真空度等条件变化的，在等离子体中心区域一般粒子声速为105m/s，在等离子体边缘要低些，但比普通声速要高，上述马赫数是气流速度与等离子体粒子声速的比值。
因为是真空室是超高真空区域，气流一进入该区域立刻迅速扩散，密度急剧降低，所以要求气流速度必须大于声速，保证在几个毫秒内有1026量级的燃料粒子数到达等离子体区域。喷嘴到边缘等离子体距离不能大于20cm。
权利要求
1.未来托卡马克聚变堆电站燃料注入方式，其特征是将高压聚变堆燃料气体通过管道输入到真空室高场区，管道末端设置一个拉瓦喷嘴，使得喷嘴出口处的气流速度达到超音速，进入等离子体高场区。
2.根据权利要求
1所述的注入方式，其特征在于所述的拉瓦喷嘴出口处的气流速度达到1500～3000m/s，喷嘴离等离子区的边缘等离子体距离为15～25cm，
3.根据权利要求
1所述的注入方式，其特征在于拉瓦喷嘴出口处的气流速度达到2670m/s，喷嘴离等离子区的边缘等离子体距离为20cm，高压聚变堆燃料气体的大气压为100大气压，存储在缓冲气罐内，通过阀门控制输出。
专利摘要
本发明公开了一种未来托卡马克聚变堆电站燃料注入方式，其特征是将高压聚变堆燃料气体通过管道输入到真空室高场区，管道末端设置一个拉瓦喷嘴，使得喷嘴出口处的气流速度达到超音速，进入等离子体高场区，有很高的输入效率。
文档编号G21B1/00GKCN1697090SQ200510038856
公开日2005年11月16日 申请日期2005年4月11日
发明者宋云涛 申请人:中国科学院等离子体物理研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan