一种深大磁环的湍流输运实验装置

本发明涉及新能源-磁约束核聚变，更具体地说，它涉及一种深大磁环的湍流输运实验装置。

背景技术：

1、受控磁约束热核聚变被认为是未来获取能源的最有效途径，有望为人类提供理想的清洁能源。在这一过程中，偏滤器是托卡马克核聚变装置的关键组成部分之一，利用带电粒子沿磁力线运动的特性，用来分离等离子体与壁材料相互作用（plasma-wallinteractions, pwi）产生的杂质粒子，从而减少主等离子体的杂质负荷和高热负荷的排放。

2、未来的聚变堆预计将具有超过2 gw的聚变功率，这意味着将有超过400 mw的功率从主等离子体穿过最后的封闭磁力线进入刮削层（scrape-off layer, sol，它是主等离子体与壁之间的开放磁力线等离子体），最终到达偏滤器的靶板。然而，聚变堆和托卡马克聚变实验装置中的sol宽度非常狭窄，导致靶板面临着极大的热负荷挑战，超过了靶板材料的耐受极限。为降低这一热负荷，科研人员一直在探索多种方法，包括辐射偏滤器、边界磁扰动以及先进等离子体位形（例如雪花位形、x-divertor位形）等。

3、在上世纪九十年代的偏滤器等离子体脱靶实验中，研究人员发现，当大量氘气充入后，偏滤器区域的辐射急剧增加，形成了辐射偏滤器，同时偏滤器靶板的峰值热流密度显著降低，这被称为偏滤器脱靶现象。这些早期的偏滤器脱靶实验中，面向等离子体的材料（plasma-facing materials, pfm）主要是低有效电荷数（z）的碳材料，因此偏滤器等离子体中的辐射主要由溅射产生的碳杂质贡献，占据了总辐射能量的主导地位。然而，对于全金属壁托卡马克装置如国际热核聚变堆（iter），由溅射产生的固有杂质辐射量非常低，因此需要注入氮、氖、氩等中低z的杂质气体，以利用杂质辐射降低偏滤器靶板的热负荷，实现偏滤器脱靶。

4、但是，充入的杂质会进入等离子体芯部，降低芯部聚变燃料的浓度，使聚变堆性能降低。对于杂质在sol中如何传播，如何获得高辐射率的同时降低杂质对芯部的污染，其物理机制依旧需要进行进一步研究。

5、先进等离子体位形通过改变偏滤器区域的磁场结构，以增大sol中磁面间距和磁力线的长度(连接长度，)。使用先进偏滤器位形，可以降低靶板热负荷，从而降低杂质的用量。

6、根据偏滤器脱靶判定公式，，长有利于实现脱靶；同时增加带电粒子的约束时间，增强横越磁力线的输运和辐射损失。先进位形通过在单零（single-null，sn）位形（只有一个主x点，见图1）中引入第二个极向磁场为零的点，即次x点。第二x点将极大地降低附近极向磁场梯度，从而增大磁面间距与连接长度。现实中主要运用的先进位形有sf-plus (sf+)、sf-minus (sf-)和x-divertor (xd)位形，见图1。与传统的sn位形相比，先进位形的sol与偏滤器接触点增加了两个，这里把接触点称为打击点。在最后闭合磁面和外分离面之间的是sol，与sol直接相连的为主打击点，未与sol相连的打击点为次打击点。打击点的存在，意味着等离子体与壁之间存在热流输运通道。先进位形有四个输运通道，更大的磁面间距和连接长度，与sn位形有很大差异，势必剧烈影响热流与粒子输运；同时，先进位形的新增添打击点未直接与sol联通，对于热流如何从主等离子体和sol输运到新的打击点，仍需要对其机制进一步研究。

7、此外，杂质原子通过聚集、熔化液滴、杂质输运、再沉积、剥落等过程会产生大颗粒的杂质。这种微粒的尺寸为纳米、微米甚至亚毫米量级，形状可以是规则的，也可以是不规则的。在等离子体中，这些粒子被电子和离子充电后，变为带负电粒子。这种除了电子、 离子以及中性气体以外， 还包含有带电微粒的等离子体被称为尘埃等离子体。托卡马克中来自器壁的尘埃杂质具有与器壁或沉积材料相同的材质，这些高z尘埃杂质会造成氚的滞留和等离子体的污染，降低芯部等离子体的温度 , 增加等离子体稳定控制的难度，甚至导致放电中断。虽然在现有的装置中因为量小而没有引起关注 , 但是尘埃的滞留已经被认为是与 iter 装置安全和运行直接相关的问题 , 是当前的研究热点之一。

8、目前，对sol物理的研究主要集中在边界湍流及其驱动机制上。这是因为进入sol热流中的40%由湍流携带从主等离子体进入sol。抑制边界湍流将会提高整个等离子体约束，边界湍流也会影响输运到壁的热流和粒子流，影响pwi。在托卡马克装置tcv的sf位形实验中，已经观测到新增打击点的热流分布。然而，到目前为止，sf-like结构对sol的影响还没有明确的详细解释。

9、hl-2a和east为国内的主要偏滤器位形的托卡马克实验装置，其设计建造时间早于先进位形概念的提出，因此并没有考虑运行先进位形的需要。east可以进行等离子电流的准sf位形放电，更倾向于验证试验，对具体输运机制没有系统的研究。因此，国内更多的是利用数值模拟研究有关sf位形特性和理解其偏滤器区域的输运特征。新建成的hl-2m装置具有开展sf-like的物理研究能力。然而，这些实验装置规模聚大，运行成本高昂。聚变实验装置中的偏滤器区域狭小，为诊断其物理机制带来了困难。

10、目前国际上有关聚变装置中尘埃等离子特性的实验研究主要集中在三个方面：首先是聚变装置中尘埃的产生机制，主要是边界等离子体与第一壁材料相互作用引起的包括沉积层的起泡和破裂、边界等离子体中的化学溅射、起弧、非理想表面的爆炸、碎裂和蒸发材料的成核等。其次为聚变装置的安全性和运行性能问题。最后是尘埃特性的研究，包括尘埃的半径、形状、密度分布、成分和氚含量以及尘埃的速度、寿命和单粒子运动轨迹等。然而，关于聚变装置中尘埃粒子的产生、输运、与边界等离子体的相互作用、对等离子体性质的影响等方面的研究还不够深入。国内到目前为止对尘埃等离子体的研究多集中于低温等离子体领域，使用小型直线装置（磁力线为直线）开展实验。

11、综上所述，研究先进等离子体位形对sol热流和粒子输运带来的影响，深大磁环将聚焦于先进位形的偏滤器区域开展研究，包括湍流对热流输运的影响和湍流对尘埃等离子体输运过程的影响。

12、深大磁环是一个独特的稳态螺旋等离子体实验装置。深大磁环的目的是研究聚变堆等离子体边缘的刮削层。在聚变堆中，大部分等离子体被封闭的磁力线约束；而更外侧的开放磁力线构成了刮削层。刮削层的厚度仅为厘米量级，在此尺度下仪器很难对期中的等离子体进行诊断或探测。为了研究刮削层中的等离子体，深大磁环提供了一种独特的磁约束磁场位形，它的开放磁力线从装置顶部螺旋绕行到装置底部，图2所示。这种磁力线结构与聚变堆刮削层的磁力线结构极为类似。目前，在磁约束聚变装置之外，研究聚变堆边缘等离子体的装置为直线装置，即磁力线呈直线。深大磁环独特的螺旋形磁力线和与聚变堆边界近似的等离子体参数，能够很好地激发等离子体湍流，从而模拟聚变堆边缘等离子体。

13、由图3，深大磁环的主机由不锈钢真空室（真空度10-6pa）、16柄环向场（toroidalfiled，tf）铜线圈和3柄垂直场（vertical filed，vf）铜线圈组成。tf线圈产生0.1t左右的环向磁场，vf线圈产生地磁场大小为环形磁场的1％到5％，数值可调，两者共同形成螺旋形的磁力线。目前，深大磁环利用电子回旋共振来产生和维持离子体，主要用于在环对称磁场条件下，模拟磁约束聚变实验普遍存在的湍流。由图4深大磁环的极向剖面示意图，等离子体存在于环形真空室中。真空室高2m，宽1米。

14、深大磁环需要对湍流测量。等离子体中的湍流是指等离子体中存在的不规则、复杂的流动现象，通常表现为一系列的涡旋和涡流。湍流是由于等离子体中存在的不同尺度的流动不稳定性引起的。湍流会使等离子体的密度、温度和流速等产生涨落变化，从而导致等离子体的非均匀性和不稳定性。

15、湍流导致等离子体中的电子温度和密度在时间和空间上的变化，即涨落，这是由于湍流涡旋在等离子体中移动时会带动周围的等离子体粒子，从而使电子在不同位置处受到的电场、磁场和粒子碰撞等力的变化。这些力的变化会影响电子的加速度和能量转移，从而引起电子温度和密度的涨落。

16、湍流也可以通过湍流输运的机制来影响等离子体中的电子温度和密度。湍流输运是指由湍流涡旋带动粒子运动而引起的粒子输运现象。在等离子体中，湍流输运可以将高能量和低密度的区域中的等离子体输运到低能量和高密度的区域中，从而改变等离子体的电子温度和密度的空间分布。

17、聚变堆中，芯部等离子体向边界的能量和粒子传输，大部分是通过湍流来实现的。作为模拟聚变堆边界环境的深大磁环来说，对湍流进行诊断就成为重中之重。研究湍流的行为和机制有助于更好地理解等离子体的基本物理过程和行为，有助于提高等离子体的热效率，优化等离子体中的聚变反应条件，从而实现更高效的聚变能源产生。

18、因此，测量一定空间内等离子体的电子温度和密度随时间的空间分布变化，是研究湍流的重要手段。

19、对于深大磁环，需要大范围的测量电子密度涨落，从而确认湍流的产生、生长状况，最终揭示先进位形偏滤器区域热流的输运方式。

20、现有技术中测量湍流有多种方法，常见的测量方式有电阻率探针、激光散射、磁散射、中性粒子诊断、微波反射仪和朗缪尔探针。其中电阻率探针简单且成本较低，可以提供高时空分辨率。适用于高温等离子体，但是其对等离子体的扰动非常敏感，可能会影响湍流的本身，且无法提供湍流速度信息，无法提供大范围的诊断。激光散射可以提供湍流密度和速度的时空分布信息，非侵入性，适用于高温等离子体。但是需要复杂的光学系统，对等离子体辐射和散射的背景干扰敏感。且深大磁环的等离子体密度为1017m-3，远低于托卡马克芯部的等离子体密度1019m-3，并不适合激光散射。磁散射适用于测量磁场扰动，提供了关于湍流性质的信息。但是其需要复杂的磁探测系统，对磁场结构的依赖性强。中性粒子诊断具备非侵入性，对等离子体温度和密度的扰动敏感。但需要高能中性粒子源，测量粒子分布的困难。微波反射仪可以提供非常高的时空分辨率，允许详细地研究湍流的结构和演化。且微波是非侵入性的，不会对等离子体产生显著影响。微波反射还可以提供全局湍流信息，检测不同类型的湍流模式，包括密度和温度涨落。然而微波反射系统通常需要复杂的仪器和数据分析，还需要精确的等离子体密度和温度分布信息以进行数据分析。对于密度和温度分布，可以通过另一套微波反射仪来实现。

21、朗缪尔探针是一种常用的等离子体诊断工具，用于测量等离子体的电子密度和电子温度。它由一个细丝电极构成，通过将电极插入等离子体中，可以测量等离子体中电子的电流。根据电子电流与电子密度之间的关系，可以计算出等离子体的电子密度。朗缪尔探针可以直接测量等离子体中的电子密度，对于等离子体的基本特性研究非常有用。且原理相对简单，设计制造和使用都相对容易。它是一种成本较低的诊断工具，适用于各种等离子体实验。朗缪尔探针可以提供几乎即时的电子密度和电子温度测量结果，因此对于实时监测和控制等离子体的运行状态非常有帮助。朗缪尔探针适用于广泛的等离子体参数范围，包括低密度和高密度等离子体。然而朗缪尔探针无法对大空间范围内的等离子体提供测量。

22、综上所述，考虑到要在大空间范围内测量湍流的分布与演化，微波反射仪在测量深大磁环湍流方面具有优势，因为它能够提供高时空分辨率的全局信息，非侵入性的，能够测量一定空间范围内的等离子体。

23、目前，为测量深大磁环的等离子体在径向和纵向上的电子密度和温度，分别在径向和真空室顶部安装了水平探针和竖直探针，如图5所示。水平探针为4电极朗缪尔探针，竖直探针为8电极朗缪尔探针，分别安装在探针杆上。为了测量一定范围内的电子密度和温度，探针杆与步进电机连接在一起，通过步进电机控制探针深入等离子体的距离，从而实现定点测量。受实验室空间限制，水平探针可深入等离子体0.5m，竖直探针可深入等离子体1m。

24、深大磁环的三柄vf线圈，只能在极向产生均匀变化的磁场。图6展示了vf线圈产生的极向磁通在真空室内的分布，即磁面分布。

25、深大磁环只有一套充气系统，用于充入工作气体。因此其存在以下缺点：

26、（1）无法测量湍流：水平探针和竖直探针仅能诊断两个点位置的电子密度和温度，无法测量一定二维平面范围内的密度和温度涨落，因此无法测量一定区域内湍流的变化；

27、（2）无法生成x点，模拟先进位形的偏滤器区域：深大磁环只有三柄串联的vf线圈，用于产生均匀磁场，无法通过分别改变线圈电流的方法来产生极向磁场为0的点。研究先进位形的偏滤器区域，需要产生x点的磁场结构，从而研究x点对湍流输运的影响；

28、（3）没有杂质充气系统：深大磁环只有一套充气系统，用于工作气体的充入，无法开展杂质气体在先进位形偏滤器磁场结构中的输运机理研究；

29、（4）缺乏光学诊断系统：不同工作气体产生的等离子体的光谱不同。使用可见光高速相机，可以拍摄杂质气体输运过程，也可以拍摄尘埃等离子体的运行轨迹。同时，红外高速相机可以拍摄热流分布情况。以上诊断都是目前深大磁环所欠缺的；

30、（5）没有尘埃等离子体播撒装置：深大磁环需要一套尘埃等离子体的产生和播撒装置，研究尘埃等离子体在先进位形偏滤器区域的行为。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种深大磁环的湍流输运实验装置，可以在深大磁环低密度等离子体条件下，模拟聚变堆先进位形偏滤器区域的磁场结构并开展湍流输运实验与诊断。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种深大磁环的湍流输运实验装置，包括线圈系统，所述线圈系统上设置有微波诊断系统、光学诊断系统和杂质发生器；所述线圈系统包括vf1线圈、vf2线圈、vf3线圈、vf4线圈、vf5线圈、vf6线圈、vf7线圈、vf8线圈和tf线圈；所述微波诊断系统为微波反射仪；所述光学诊断系统为高速相机；所述杂质发生器由螺旋波直线装置、抽放气系统、加料系统和电极系统组成。

3、通过采用上述技术方案，vf1线圈、vf2线圈和vf3线圈是现有深大磁环中已经有的线圈，其最大电流250a/匝，产生极向磁场，单独电源供电。vf4线圈、f5线圈、vf6线圈、vf7线圈和vf8线圈为本发明新增新增线圈，其最大电流250a/匝，产生极向磁场，单独电源供电。tf线圈能够产生最大0.2t的环向磁场。微波反射仪发射天线为两个天线，分别负责扫描电子密度和涨落。微波反射仪接受天线为两个天线，分别负责扫描电子密度和涨落。高速相机用于实施光学诊断，杂质发生器产生尘埃等离子体和作为杂质充气系统使用。

4、本发明进一步设置为：所述螺旋波直线装置保留螺旋波天线和直线磁场线圈，所述抽放气系统包括进气口和抽气口，所述加料系统为加料口，所述电机系统包括加速场电极、平衡场电极和电磁插板阀。

5、所述杂质发生器主体为圆柱形不锈钢桶，所述杂质发生器远离tf线圈一侧设置螺旋波天线，所述进气口和抽气口对称设置于螺旋波天线靠近tf线圈一面的上下两侧，所述进气口和抽气口靠近tf线圈的一侧设置直线磁场线圈，所述直线磁场线圈靠近tf线圈一侧设置加速电场电极，所述加速电场电极靠近tf线圈一侧设置平衡场电极，所述平衡场电极靠近tf线圈一侧设置插板阀。

6、通过采用上述技术方案，螺旋波天线用于发射螺旋波，功率为2kw，进气口用于充入工作气体或杂质气体。直线磁场线圈产生沿杂质发生器中心线方向的直线磁场。螺旋波产生的等离子体将沿磁力线运动。加料口为独立的真空腔室，将纳米金属微粒放入腔室，在抽真空后，通过开启电磁阀，金属微粒进入杂质发生器主腔室与等离子体发生能量和电荷交换。在加速场电极中，带电粒子被加速电场加速，向真空室运动。通过调节平衡场电极加载的电压，使重力与电场力平衡的带电粒子粒子通过，不平衡的则偏转打在电极上。电磁插板阀用于控制杂质发生器与真空室的连通。

7、本发明进一步设置为：所述tf线圈为纵向线圈，所述tf线圈中心处设有真空室，所述tf线圈外侧环绕设置vf1线圈、vf2线圈和vf3线圈，所述tf线圈内侧环绕设置vf4线圈、vf5线圈和vf6线圈，所述tf线圈顶部中心线环绕设置vf7线圈，所述tf线圈底部中心线环绕设置vf8线圈，所述vf2线圈位于外侧中心线处，所述vf1线圈和vf3线圈对称分布于vf2线圈上下两侧，所述vf1线圈位于靠近tf线圈顶部一侧，所述vf3线圈位于靠近tf线圈底部一侧，所述vf5线圈位于内侧中心线处，所述vf4线圈和vf6线圈对称分布于vf5线圈上下两侧，所述vf4线圈位于靠近tf线圈顶部一侧，所述vf6线圈位于靠近tf线圈底部一侧。

8、本发明进一步设置为：所述vf1线圈、vf2线圈、vf3线圈、vf4线圈、vf5线圈、vf6线圈、vf7线圈和vf8线圈均为128匝。

9、本发明进一步设置为：所述微波反射仪包括微波反射仪发射天线与微波反射仪接收天线，所述微波反射仪设置于vf1线圈与vf2线圈之间。

10、通过采用上述技术方案，相对于现有技术而言，新增了f4线圈、vf5线圈、vf6线圈、vf7线圈和vf8线圈，赋予了深大磁环产生先进位形磁场结构的能力，所有的vf线圈都单独供电，可以通过不同线圈电流的配比，产生一个或多个x点，从而模拟不同类型的先进位形在偏滤器区域的磁场结构，为研究先进位形sol中的湍流在热流输运中所起的作用提供了基础。

11、本发明进一步设置为：所述高速相机包括可见光高速相机和红外高速相机，所述高速相机设置于vf2线圈与vf3线圈之间。

12、通过采用上述技术方案，由可见光高速相机和红外高速相机共同实施光学诊断。

13、本发明进一步设置为：所述直线磁场线圈共设置3个，所述加料口设置于靠近tf线圈一侧的两个直线磁场线圈之间。

14、本发明进一步设置为：所述杂质发生器设置于vf1线圈和vf2线圈之间，所述微波反射仪设置于靠近vf1线圈一侧，所述杂质发射器设置于靠近vf2线圈一侧。

15、通过采用上述技术方案，杂质发生器位于vf1线圈和vf2线圈之间，高速相机位于vf2线圈和vf3线圈之间，调整合适的安装位置及安装角度，能够使高速相机拍摄到粒子从杂质发生器出来的景象。

16、综上所述，本发明具有以下有益效果：

17、本发明针对现有技术的缺点，首先在装置中央添置了三柄vf线圈，在装置顶部和底部分别添置了一柄vf线圈，组成了由8柄vf线圈组成的极向场线圈系统，且每柄线圈单独供电，匝数相同。采用了微波反射仪测量密度和涨落情况，实现对湍流大范围的诊断。采用了一种螺旋波加热等离子体的小型直线装置，作为尘埃等离子体的发生源；同时，在螺旋波不工作时，还可作为杂质充气系统使用。采用了可见光和红外高速相机，用于拍摄杂质、尘埃等离子体的在主等离子体内的输运情况，还有热流的分布。这些线圈、小型直线装置、微波反射仪和光学诊断，共同组成了深大磁环的湍流实验装置。通过该方案可以以低成本的方式来实现对聚变堆先进位形sol湍流输运的模拟；通过调整vf线圈电流配比，可以灵活地实现不同磁场结构。

18、在本发明中新增5个vf线圈，赋予现有的深大磁环产生先进位形磁场结构的能力，采用的微波反射仪和光学成像系统可以大范围的诊断湍流及湍流中杂质或尘埃等离子体的演化情况。使用的小型直线装置既可以作为尘埃等离子体发生装置，也可以作为杂质气体的充气装置。以上系统与深大磁环密切整合，可实现：

19、（1）模拟先进位形的磁场结构。vf线圈单独供电，可以通过不同线圈电流的配比，产生一个或多个x点，从而模拟不同类型的先进位形在偏滤器区域的磁场结构，为研究先进位形sol中的湍流在热流输运中所起的作用提供了基础；

20、（2）获得大范围的电子密度分布和涨落情况。通过设置两套微波反射仪，分别测量电子密度分布和涨落，获得湍流的演化过程；

21、（3）获得湍流输运的光学诊断。可见光高速相机可拍摄杂质气体和尘埃等离子体的输运过程，以及等离子体结构；红外高速相机可拍摄热流分布情况；

22、（4）获得尘埃等离子体和杂质气体的充入。使用小型螺旋波直线装置，首先使用螺旋波产生等离子体，充入纳米金属颗粒，与等离子体发生碰撞和电荷交换后变为尘埃等离子体，经加速电场和偏转电场进入真空室。在螺旋波直线装置不工作时，可充当杂质气体的充入装置。

23、终上所述，本发明利用vf线圈、微波和光学诊断、直线等离子体发生装置，可实现对聚变堆先进位形在偏滤器区域的湍流输运进行模拟研究。与聚变堆高昂的实验成本不同，深大磁环可实现高频率、低成本的实验研究。本发明是一种高仿真、低成本、诊断丰富、位形调整灵活、实验变量丰富的先进位形湍流输运实验装置。