一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统及方法与流程

1.本发明涉及核科学技术领域，具体涉及一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统及方法。


背景技术：

2.核聚变能是一种安全、无污染的清洁能源，是核能发展“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略的最后一步，也可能是解决人类能源问题的最终途径。核聚变能主要通过氢的同位素发生聚变产生，常见的聚变反应包括氘氘反应、氘氦反应和氘氚反应。氘氚聚变反应截面大，反应率较高，所以氘氚反应成为实现核聚变的最佳选择。欧盟jet装置和美国tftr装置的氘氚实验表明，等离子体的有效质量对聚变产物α粒子的加热效应、高低约束模转换功率阈值及约束时间具有重要影响。等离子体的有效质量取决于燃料中氘和氚的比例，这意味着氘氚比的测量直接影响未来聚变堆约束性能。因此，必须找到能够安全、准确、快速测量氘氚燃料比的方法。
3.目前，能够测量氘氚燃料比的等离子体诊断有中性粒子分析仪和激光诱导击穿光谱仪。中性粒子分析仪主要通过测量不带电荷的氘和氚的粒子数量确定氘氚比。该诊断只能测量逃离等离子体约束区域的氘和氚粒子，只有等离子体均匀分布时才能准确反映氘氚比，但是真实的托克马克等离子体往往都是不均匀的。激光诱导击穿光谱仪是一种原位测量诊断，通过激光打击特定区域的氘和氚并使其产生特定波长的光谱，然后测量光谱特征从而获取氘和氚的相关信息。这种诊断空间分辨特别好，只能测量限定区域的参数，但是很难对等离子体氘氚燃料比做整体评估。随着国际热核试验堆即将运行，对氘氚燃料比测量技术需求越来越迫切。


技术实现要素：

4.本技术所要解决的技术问题是现有的氘氚燃料比测量技术无法对不均匀分布的燃烧等离子体做整体评估，从而无法计算不均匀分布的燃烧等离子体中氘氚燃料比，目的在于提供一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统及方法，解决了无法计算不均匀分布的燃烧等离子体中氘氚燃料比的问题。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.本发明第一方面提供了一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统，包括
7.电子回旋辐射计、微波反射计、米尔诺夫探针、电子回旋辐射成像、第一采集器、中央处理器、干涉仪、动态斯塔克效应谱仪、磁线圈、电荷交换谱仪、第二采集器、高性能计算机、tae频率实时处理器和显示器；
8.所述电子回旋辐射计、所述微波反射计、所述米尔诺夫探针、所述电子回旋辐射成像与所述第一采集器连接；所述第一采集器与所述中央处理器连接；
9.所述干涉仪、所述动态斯塔克效应谱仪、所述磁线圈、所述电荷交换谱仪与所述第二采集器连接；所述第二采集器与所述高性能计算机连接；
10.所述中央处理器、所述高性能计算机与所述tae频率实时处理器连接；
11.所述tae频率实时处理器与所述显示器连接。
12.在上述技术方案中，jet装置的氘氚实验表明，氘氚比与环向阿尔芬本征(tae)的频率密切相关，通过间接的方法测量相关信息，准确测量燃烧等离子体中环向阿尔芬本征模的频率和准确计算相同条件下氘氘等离子体中tae频率就可以获取氘氚燃料比。
13.利用电子回旋辐射计、微波反射计、米尔诺夫探针、电子回旋辐射成像、干涉仪、动态斯塔克效应谱仪、磁线圈和电荷交换谱仪测量燃烧等离子体频率、位移、模数、电子密度、磁场分布等相关数据，并经由高性能计算机和中央处理器对相关数据的处理得到环向阿尔芬本征的频率、位移矢量和模数。将环向阿尔芬本征的频率、位移矢量和模数输入tae频率处理器计算氘氘等离子体中tae频率。通过tae频率处理器已知的环向阿尔芬本征模的频率和相同条件下氘氘等离子体中tae频率则可以计算出氘氚燃料比。
14.相较于现有技术而言，上述技术方案即使燃烧等离子体处于不均匀分布状态也可以对其整体进行测量，并根据测量数据进行计算得到氘氚燃料比。
15.在一种可选实施例中，所述电子回旋辐射计用于测量环向阿尔芬本征模的频率和位移矢量，所述微波反射计用于测量环向阿尔芬本征模的频率和位移矢量，所述米尔诺夫探针用于测量环向阿尔芬本征模的频率和环向模数，所述电子回旋辐射成像用于确定环向阿尔芬本征模的极向模数。
16.在一种可选实施例中，所述第一采集器主要用于采集电子回旋辐射计，微波反射计，米尔诺夫探针，电子回旋辐射成像测量的环向阿尔芬本征模的频率、位移矢量、环向模数和极向模数，并将环向阿尔芬本征模的频率、位移矢量、环向模数和极向模数输入中央处理器进行计算和处理。
17.在一种可选实施例中，所述干涉仪用于测量燃烧等离子体的电子密度，所述动态斯塔克效应谱仪用于测量最小安全因子并计算安全因子剖面，所述磁线圈主要用于测量燃烧等离子体放电的磁场信息，所述电荷交换谱仪主要用于测量燃烧等离子体的旋转频率信息。
18.在一种可选实施例中，所述第二采集器主要用于采集干涉仪，动态斯塔克效应谱仪，磁线圈，电荷交换谱仪的测量信息，并将测量信息输入高性能计算机进行计算和处理。
19.在一种可选实施例中，所述tae频率实时处理器用于比较高性能计算机和中央处理器计算和处理后的数据并计算氘氘等离子体中tae频率和氘氚燃料比。
20.本发明第二方面提供了一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的方法，包括通过电子回旋辐射计、微波反射计、米尔诺夫探针和电子回旋辐射成像在等离子体运行中测量环向阿尔芬本征模的测量频率、测量位置矢量和测量模数信息；
21.通过干涉仪、动态斯塔克效应谱仪、磁线圈、电荷交换谱仪从等离子体中获取电子密度、安全因子，等离子体电流和旋转频率；
22.通过高性能计算机对电子密度、安全因子，等离子体电流和旋转频率进行数值模拟，得到环向阿尔芬本征模的模拟频率、模拟位移矢量和模拟模数；
23.将测量频率与模拟频率、测量位置矢量与模拟位置矢量、测量模数信息与模拟模数信息一一进行比对；
24.若三组比对数据均吻合，则计算相同条件下氘氘等离子体中tae频率；
25.基于氘氚比与环向阿尔芬本的频率关系，根据氘氘等离子体中tae频率计算氘氚燃料比。
26.在一种可选实施例中，通过电子回旋辐射计在等离子体运行中测量环向阿尔芬本征模的测量频率、测量位置矢量的方法如下：
27.在等离子体放电过程中，对电子回旋辐射计采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析找到环向阿尔芬本征模的频率范围，得到环向阿尔芬本征模的测量频率；
28.对环向阿尔芬本征模的频率范围进行数值滤波，得到温度扰动；
29.根据温度扰动通过进行计算，得到位移矢量ξ；其中，γ＝5/3，为温度梯度，δte为温度扰动量，te为电子温度。
30.在一种可选实施例中，通过微波反射计在等离子体运行中测量环向阿尔芬本征模的测量频率、测量位置矢量的方法如下：
31.在等离子体放电过程中，对微波反射计采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析找到环向阿尔芬本征模的频率范围，得到环向阿尔芬本征模的测量频率；
32.对环向阿尔芬本征模的频率范围进行数值滤波，得到密度扰动；
33.根据密度扰动通过进行计算，得到第二位移矢量ξ；其中，为密度梯度，δne为密度扰动量，ne为电子密度。
34.在一种可选实施例中，基于氘氚比与环向阿尔芬本的频率关系，根据氘氘等离子体中tae频率计算氘氚燃料比的方法如下：
[0035][0036][0037]
其中，为氘氘等离子体中tae频率，b
t
为磁场，《n》为线平均电子密度，安全因子q＝1.5，有效质量a
eff
＝2，r为聚变装置大半径，nd，n
t
分别为氘和氚的浓度，f
measured
为氘氚实验过程中测量的tae频率，k(n)是一个标定因子，用于修正环向阿尔芬本征模局域位置处电子密度和安全因子偏离《n》和q＝1.5引起的tae频率偏差。
[0038]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0039]
相较于现有技术而言，上述技术方案即使燃烧等离子体处于不均匀分布状态也可以对其整体进行测量，并根据测量数据进行计算得到氘氚燃料比，进而为聚变产物α粒子的加热效应、高低约束模转换功率阈值及约束时间提供了安全、准确、快速测量氘氚燃料比的方法。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他相关的附图。在附图中：
[0041]
图1为本技术一实施例提供的一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统的结构
示意图；
[0042]
图2为本技术一实施例提供的一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的方法的流程图。
[0043]
附图中标记及对应的零部件名称：
[0044]
1-电子回旋辐射计，2-微波反射计，3-米尔诺夫探针，4-电子回旋辐射成像，5-第一采集器，6-中央处理器，7-干涉仪，8-动态斯塔克效应谱仪，9-磁线圈，10-电荷交换谱仪，11-第二采集器，12-高性能计算机，13-tae频率实时处理器，14-显示器。
具体实施方式
[0045]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0046]
实施例1
[0047]
图1为实施例1提供的一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统的结构示意图，如图1所示，一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统包括电子回旋辐射计1、微波反射计2、米尔诺夫探针3、电子回旋辐射成像4、第一采集器5、中央处理器6、干涉仪7、动态斯塔克效应谱仪8、磁线圈9、电荷交换谱仪10、第二采集器11、高性能计算机12、tae频率实时处理器13和显示器14。
[0048]
其中，电子回旋辐射计1主要用于测量环向阿尔芬本征模的频率和位移矢量。对电子回旋辐射计1采集到的原始信号进行傅里叶分析，经过分析后可以得到环向阿尔芬本征模的频率；电子回旋辐射计1还可以测量燃烧等离子体的温度扰动，根据温度扰动通过计算得到环向阿尔芬本征模的位移矢量ξ。
[0049]
计算的公式为
[0050][0051]
其中，γ＝5/3，为温度梯度，δte为温度扰动量，te为电子温度。
[0052]
微波反射计2主要用于测量环向阿尔芬本征模的频率和位移矢量。对微波反射计2采集到的原始信号进行傅里叶分析，经过分析后可以得到环向阿尔芬本征模的频率；微波反射计2还可以测量燃烧等离子体的密度扰动，根据密度扰动通过计算得到环向阿尔芬本征模的位移矢量ξ。
[0053]
计算的公式为
[0054][0055]
其中，为密度梯度，δne为密度扰动量，ne为电子密度。
[0056]
米尔诺夫探针3主要用于测量环向阿尔芬本征模的频率和环向模数。对米尔诺夫探针3采集到的原始信号进行傅里叶分析，经过分析后可以得到环向阿尔芬本征模的频率；环向阿尔芬本征模的环向模数通过对米尔诺夫探针3采集到的信号采用奇异值分解法进行奇异值分解确定。
[0057]
其中，当米尔诺夫探针3采集到的相位分布有一对波峰和波谷时，环向模数为n＝1；当相位分布有两对波峰和波谷时，环向模数为n＝2，后面以次类推。
[0058]
电子回旋辐射成像4主要用于确定环向阿尔芬本征模的极向模数。当选定频率和时间时，电子回旋辐射成像4可以直观地给出模的结构，当成像区域出现一对热斑和冷斑时，极向模数为m＝1；出现两对热斑和冷斑时，极向模数为m＝2，后面以次类推。
[0059]
第一采集器5主要用于采集电子回旋辐射计1，微波反射计2，米尔诺夫探针3，电子回旋辐射成像4的测量数据，具体数据格式需满足中央处理器6的数据输入格式要求。
[0060]
中央处理器6主要用于计算和处理环向阿尔芬模的频率、位移矢量和模数信息，其中环向阿尔芬本征模的频率取电子回旋辐射计1，微波反射计2，米尔诺夫探针3的平均值；环向阿尔芬本征模的位移矢量取电子回旋辐射计1和微波反射计2的平均值；环向阿尔芬模的模数取自米尔诺夫探针3和电子回旋辐射成像4测量结果。
[0061]
干涉仪7主要用于测量电子密度《n》，需要对测量数据进行阿贝尔反演，最终为高性能计算机12输入电子密度分布。
[0062]
动态斯塔克效应谱仪8主要用于测量最小安全因子，需要结合efit等平衡反演程序进行平衡重建，最终为高性能计算机12输入安全因子剖面。
[0063]
磁线圈9主要用于测量等离子体放电的磁场，最终为高性能计算机12输入磁场信息。
[0064]
电荷交换谱仪10主要用于测量等离子体旋转频率，最终为高性能计算机12输入旋转频率信息。
[0065]
第二采集器11主要用于采集干涉仪7，动态斯塔克效应谱仪8，磁线圈9，电荷交换谱仪10的测量信息，具体数据格式需满足高性能计算机12和tae频率实时处理器13的数据输入格式要求。
[0066]
高性能计算机12内置本征值nova-k程序，该程序只需要密度分布和安全因子分布两大数据就可以进行数值求解，主要用于tae的频率、环向模数、位移矢量和模结构，所需输入包括采集干涉仪7，动态斯塔克效应谱仪8，磁线圈9，电荷交换谱仪10测量的电子密度分布、安全因子分布、磁场强度和等离子体旋转频率。
[0067]
tae频率实时处理器13的核心部件是fpga芯部，主要用于比较高性能计算机12和中央处理器6输出的频率、模数和位移矢量。
[0068]
当三者都不一致时，表明系统测量到的不稳定性不是环向阿尔芬本征模，此时无法测量氘氚比；
[0069]
当三者均吻合时，表明系统测量到的不稳定性是环向阿尔芬本征模。
[0070]
成功判定为环向阿尔芬本征模(tae)时，tae频率实时处理器13根据第二采集器11输入的数据计算相同条件下氘氘等离子体中tae频率最后对公式执行运算就可以得到氘氚燃料比。
[0071]
显示器14主要用于实时显示氘氚比。
[0072]
实施例2
[0073]
实施例2是在实施例1的基础上提供了一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的方法。
[0074]
图2为实施例2提供的一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的方法的流程图，如图2所示，一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的方法包括
[0075]
s1、测量燃烧等离子体数据。
[0076]
其中，通过电子回旋辐射计1、微波反射计2、米尔诺夫探针3和电子回旋辐射成像4在等离子体运行中测量环向阿尔芬本征模的测量频率、测量位置矢量和测量模数信息。
[0077]
通过干涉仪7、动态斯塔克效应谱仪8、磁线圈9、电荷交换谱仪10从等离子体中获取电子密度、安全因子，等离子体电流和旋转频率。
[0078]
进一步的，通过电子回旋辐射计1在等离子体运行中测量环向阿尔芬本征模的测量频率、测量位置矢量的方法如下：
[0079]
在等离子体放电过程中，对电子回旋辐射计1采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析找到环向阿尔芬本征模的频率范围，得到环向阿尔芬本征模的测量频率；
[0080]
对环向阿尔芬本征模的频率范围进行数值滤波，得到温度扰动；
[0081]
根据温度扰动通过进行计算，得到位移矢量ξ；其中，γ＝5/3，为温度梯度，δte为温度扰动量，te为电子温度。
[0082]
进一步的，通过微波反射计2在等离子体运行中测量环向阿尔芬本征模的测量频率、测量位置矢量的方法如下：
[0083]
在等离子体放电过程中，对微波反射计2采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析找到环向阿尔芬本征模的频率范围，得到环向阿尔芬本征模的测量频率；
[0084]
对环向阿尔芬本征模的频率范围进行数值滤波，得到密度扰动；
[0085]
根据密度扰动通过进行计算，得到第二位移矢量ξ；其中，为密度梯度，δne为密度扰动量，ne为电子密度。
[0086]
进一步的，环向阿尔芬本征模的频率取电子回旋辐射计，微波反射计，米尔诺夫探针的平均值；环向阿尔芬本征模的位移矢量取电子回旋辐射计和微波反射计的平均值；环向阿尔芬模的模数取自米尔诺夫探针和电子回旋辐射成像测量结果。
[0087]
s2、将测量频率与模拟频率、测量位置矢量与模拟位置矢量、测量模数信息与模拟模数信息一一进行比对。
[0088]
当三者都不一致时，表明系统测量到的不稳定性不是环向阿尔芬本征模，此时无法测量氘氚比；
[0089]
当三者均吻合时，表明系统测量到的不稳定性是环向阿尔芬本征模。
[0090]
基于上述规则，将测量频率与模拟频率、测量位置矢量与模拟位置矢量、测量模数信息与模拟模数信息一一进行比对。若三组比对数据存在不吻合情况则返回步骤s1重新对燃烧等离子体进行测量
[0091]
s3、若三组比对数据均吻合，则计算相同条件下氘氘等离子体中tae频率。
[0092]
其中，计算相同条件下氘氘等离子体中tae频率的公式如下：
[0093][0094]
上式中，为氘氘等离子体中tae频率，b
t
为磁场，《n》为线平均电子密度，安全
因子q＝1.5，有效质量a
eff
＝2，r为聚变装置大半径。
[0095]
s4、基于氘氚比与环向阿尔芬本的频率关系，根据氘氘等离子体中tae频率计算氘氚燃料比。
[0096]
其中，根据氘氘等离子体中tae频率计算氘氚燃料比的公式如下：
[0097][0098]
上式中，nd，n
t
分别为氘和氚的浓度，f
measured
为氘氚实验过程中测量的tae频率，k(n)是一个标定因子，用于修正环向阿尔芬本征模局域位置处电子密度和安全因子偏离《n》和q＝1.5引起的tae频率偏差。
[0099]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。