托卡马克等离子体破裂电磁能量导出方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于磁约束核聚变等离子体破裂防护领域，具体涉及一种在破裂瞬间利用电磁耦合将等离子体部分电磁能量导出真空室，减小破裂瞬间耗散在真空室内部能量总和的破裂缓解方法及其装置。
【背景技术】
[0002]托卡马克等离子体破裂对装置安全运行造成的威胁，是阻碍磁约束核聚变发展的关键因素之一，等离子体破裂防护是目前该领域的研宄热点之一。如附图1所示，托卡马克等离子体电流I和极向场线圈3(包含中心螺管3A和极向场线圈3B)构成变压器结构，采用变压器原理使等离子体电流I爬升到需要的电流值，并采用欧姆加热以及辅助加热的方式对等离子体进行加热，获取聚变所需的高温等离子体。大型托卡马克装置等离子体电流达到兆安量级，等离子体温度达到一亿摄氏度，等离子体储存的内能和电磁能量均达到百兆焦耳量级。等离子体破裂是由等离子体复杂特性导致的，表现为等离子体电流iplasma快速下降为零(如附图3所示)。等离子体巨大的内能和电磁能量会在破裂瞬间，约几十毫秒的时间内，快速耗散在真空室内部，作用在真空室内部形成热沉积。等离子体能量巨大，而且在真空室内部件上形成的热沉积分布不均匀，容易导致真空室局部因沉积的能量过大而损坏。
[0003]由于等离子体能量巨大且破裂无法避免，如何缓解破裂瞬间等离子体巨大能量对装置安全的威胁是目前研宄的热点。针对破裂瞬间等离子体能量在真空室内部形成热沉积的不均匀性，现有的大量研宄探索了相关的缓解方法。大量气体注入(Massive GasInject1n,MGI)是目前研宄最为广泛的破裂缓解方法，其主要在破裂瞬间向真空室内注入大量杂质气体，可以增加等离子体的碰撞损失，使等离子体能量在破裂瞬间均匀地耗散在真空室内部，防止因真空室局部承受的热沉积过大而被损坏。另外共振磁场扰动(ResonantMagnetic Perturbat1ns，RMP)也可以通过抑制逃逸电子的产生，减小因逃逸电子撞击真空室内部件产生的局部高功率热沉积。虽然MGI和RMP在现有的大多数托卡马克装置上都取得了比较好的破裂缓解效果，但是这些方法并不能减小破裂瞬间真空室内部热沉积的总量，破裂缓解效果有限。未来的大型托卡马克装置等离子体能量更大，是现有装置的一百多倍，现有方法能否缓解未来大型装置等离子体破裂巨大能量造成的危害还无定论。
[0004]等离子体破裂过程耗散在真空室内部能量的总和越大，即在真空室形成的热沉积总量越大，破裂对装置造成的损害也越大，现有的破裂缓解方法不能减小破裂瞬间耗散在真空室内部能量的总和。这就向本领域的研宄人员提出了一个崭新的课题，如何在破裂瞬间将等离子体部分能量导出真空室，减小耗散在真空室内部能量的总和，缓解等离子体破裂巨大能量对装置的损害。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种在破裂瞬间利用电磁耦合将等离子体部分电磁能量导出真空室的方法和装置，可以减小破裂瞬间耗散在真空室内部能量的总和，减小真空室内部热沉积总量，缓解等离子体破裂巨大能量对真空室内部件的损害。
[0006]本发明提出方法是，设置一组与等离子体耦合的能量转移线圈，线圈安装位置要尽量靠近等离子体，以提高线圈与等离子体的耦合度；并在真空室外设置能量吸收部件和快速开关，三者相互串联形成能量转移回路；破裂瞬间等离子体电流快速下降，在能量转移线圈上产生感应电压，同时通过托卡马克中央控制系统触发快速开关导通，导通能量转移回路，能量转移线圈中产生感应电流，耦合等离子体电磁能量；这部分电磁能量由串联在能量转移回路中的、位于真空室外部的能量吸收部件吸收，从而实现将部分等离子体电磁能量从真空室内部导出。
[0007]在等离子体破裂瞬间，快速开关由托卡马克中央控制系统发出的破裂动作信号触发导通，导通时间在一毫秒以内，使能量转移线圈快速投入工作，将等离子体电磁能量导出真空室。在破裂未发生的情况下托卡马克中央控制系统不触发开关导通，能量转移线圈不工作，对托卡马克实验没有影响。
[0008]本发明提出的能量转移装置，包括能量转移线圈、快速开关及能量吸收部件，三者相互串联构成能量转移系统。
[0009]所述的能量转移线圈，安装位置要尽量靠近等离子体，越靠近等离子体，与等离子体的耦合系数越高，转移效果越好。能量转移线圈可以设置在真空室的上部、中部或下部；能量转移线圈也可以是多个线圈的串联组合，其中每个线圈分别设在真空室的上部、中部或下部，以提高耦合系数。能量转移线圈可以安装在真空室内部，也可以在真空室外部。具体方案根据相应托卡马克装置实际情况确定。
[0010]所述的能量吸收部件，安装于真空室外部，主要用于吸收能量转移线圈耦合的等离子体电磁能量，可以但不限于是一个电阻耗能组件。鉴于消耗能量较大，电阻耗能组件一般由多个大功率电阻串并联形成阵列，其阻值大小应当与能量转移线圈相匹配。
[0011]所述的快速开关安装在真空室外部，可以是由电力电子开关，如晶闸管或IGBT等组成的阵列。电力电子开关导通时间在微秒量级，远小于几十毫秒的破裂时间，满足快速导通的需要。
[0012]真空室可以等效为一匝与等离子体耦合的线圈，破裂过程也会耦合等离子体电磁能量。对于特定托卡马克装置，真空室的时间常数是确定的，其耦合等离子体电磁能量大小也是确定的。能量转移回路的时间常数，可以通过调整能量转移线圈匝数以及能量吸收部件参数(对于电阻耗能组件就是电阻值)，进行灵活选择，寻求最佳的匹配方案，耦合最多的等离子体电磁能量。
[0013]本发明所述的托卡马克等离子体电磁能量导出的装置，可以作为托卡马克装置破裂防护总系统的一个子系统。在采用该方法导出部分等离子体电磁能量减小真空室内部热沉积总量的同时，采用