阅读说明：本技术 一种制备混合冰冻弹丸的装置及其制备方法 (Device and method for preparing mixed frozen projectile ) 是由 徐红兵 曹曾 刘德权 钟云珂 胡毅 朱根良 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明属于受控核聚变等离子体密度技术领域,具体涉及一种制备混合冰冻弹丸的装置及其制备方法,包括:枪管、冻结装置、快阀、排气管和加热丝；枪管的外壁中部固定环套有冻结装置,枪管的外壁上还环套有若干个加热丝,环套在枪管上的若干个加热丝以冻结装置为中心位置对称设置；冻结装置的外壁上也设置有加热丝；快阀通过排气管与枪管其中一端的端口相连接。本装置制备的混合冰冻弹丸可对聚变堆中等离子体破裂起到缓解作用,本制备方法采用原位冷凝原理,将混合冰冻弹丸注入实现更深沉的粒子沉积,实现等离子体密度更高,能量辐射更大的技术效果。(The invention belongs to the technical field of controlled nuclear fusion plasma density, and particularly relates to a device for preparing mixed frozen shots and a preparation method thereof, wherein the device comprises a gun barrel, a freezing device, a quick valve, an exhaust pipe and a heating wire; the freezing device is sleeved on a fixing ring in the middle of the outer wall of the gun barrel, the plurality of heating wires are sleeved on the outer wall of the gun barrel in a ring manner, and the plurality of heating wires sleeved on the gun barrel in a ring manner are symmetrically arranged by taking the freezing device as a central position; the outer wall of the freezing device is also provided with a heating wire; the quick valve is connected with a port at one end of the gun barrel through an exhaust pipe. The mixed frozen projectile prepared by the device can relieve plasma breakage in a fusion reactor, the preparation method adopts an in-situ condensation principle, and the mixed frozen projectile is injected to realize deeper particle deposition, so that the technical effects of higher plasma density and larger energy radiation are realized.)

一种制备混合冰冻弹丸的装置及其制备方法

技术领域

本发明属于受控核聚变等离子体密度研究技术领域，具体涉及一种制备混合冰冻弹丸的装置及其制备方法。

背景技术

为了未来聚变装置尽可能长时间地运行，首先要保证等离子体能够被稳定约束，这就需要克服各种不稳定性因素，因此关于等离子体的约束和输运的研究、MHD稳定性、运行极限和破裂的研究、能量与粒子控制的研究等等成为了现今托卡马克等离子体研究的重点方向；目前研究发现，等离子体的破裂不稳定性是一种快增长的不稳定性因素；等离子体破裂后，产生的热载荷或许会导致装置部件熔化或蒸发；产生的晕电流，将产生大的电磁力，对装置带来极大危害；逃逸电子产生其能量会达到几十甚至上百兆电子伏特(1eV＝11600K)，一旦形成，这些高能的逃逸电子在速度空间上便脱离了本底热等离子体，它们将轰击第一壁或装置部件，造成器壁的严重损伤。

这些危害程度随着装置尺寸的增大而增大，因而设计研究有效的逃逸抑制手段是当前托卡马克等离子体物理研究的重点之一，也是下一代大型磁约束装置工程设计、安全运行、安全防护的物理基础之一和必须解决的问题。

针对上述问题，目前研究发现若在等离子体破裂前注入大量的高Z杂质气体，其中Z指的是原子序数，利用高Z杂质将能量辐射，可缓解等离子体破裂时带来的危害。

因此，需要设计一种在等离子体破裂前可注入大量的高Z杂质气体的装置及其方法，以有效提高等离子体密度，降低聚变装置第一壁热载荷，抑制逃逸电子，减少逃逸电流。

发明内容

本发明的目的是设计一种制备混合冰冻弹丸的装置及其制备方法，通过注入混合冰冻弹丸同时利用高Z杂质深沉注入实现更高的能量辐射，实现等离子体密度的提高，用于解决因等离子体易破裂这一不稳定因素导致聚变反应堆装置部件熔化或蒸发等损害的技术问题。

本发明的技术方案：

一种制备混合冰冻弹丸的装置，包括:枪管、冻结装置、快阀、排气管和加热丝；所述枪管的外壁中部固定环套有冻结装置，所述枪管的外壁上还环套有若干个加热丝，所述环套在枪管上的若干个加热丝以冻结装置为中心位置对称设置；所述冻结装置的外壁上也设置有加热丝；所述快阀通过排气管与枪管其中一端的端口相连接。

所述加热丝根据气体三相点的温度数值进行功率调节，以输出适合制备混合冰冻弹丸的加热温度。

所述枪管整体为中空圆柱形结构，枪管的两端还安装有真空抽气装置。

所述冻结装置还包括低温制冷器和冻结区域，所述低温制冷器的制冷温度范围在低Z加料气体的三相点以下3-4℃。

所述真空抽气装置包括两个真空抽气口，两个真空抽气口分别对称设置在枪管两端的端口。

一种如上所述的任意一项制备混合冰冻弹丸的装置的制备方法，包括如下步骤：

第一步：先将枪管两端真空抽气装置开启，进行真空抽气，保证枪管内无其他气体后，关闭真空抽气装置；启动冻结装置的低温制冷装置，将枪管内表面中冻结装置的冻结区域温度降至低Z加料气体三相点以下3-4℃，同时按照计算所需的气量缓慢送入低Z加料气体，此时枪管的内表面冻结一层低Z加料冰层；

第二步：再开启枪管两端真空抽气装置，将枪管内的低Z加料气体抽除，关闭真空抽气装置；抽除后缓慢向枪管内送入高Z杂质气体，直至枪管内表面中冻结装置的冻结区域被高Z杂质气体冻结吸附填满；

第三步：再次开启枪管两端真空抽气装置，将枪管内的高Z气体抽除，同时开启加热丝适当加热冻结装置的冻结区域；开启快阀，这时混合冰冻弹丸将高速发射。

本发明的有益效果：

本发明装置通过制作处的混合冰冻弹丸达到对聚变堆中的等离子体破裂进行缓解的作用，本发明制备方法采用原位冷凝原理，将混合冰冻弹丸注入能实现更深沉的粒子沉积，实现等离子体密度更高，能量辐射更大的技术效果；以达到能减少等离子体破裂期间第一壁的热载荷；能降低等离子体破裂期间的逃逸电流，抑制逃逸电子的产生。

本发明设计有利于混合弹丸高速发射的原因在于利用高Z杂质与低Z杂质在三相点以下的最大抗拉强度不同，如实施例中所述氘、氢最大抗拉强度分别为2.5bar和4.4bar，而氩、氖等11.4bar和7.5bar，因此可以以较小压力的高压气体将弹丸从枪管内壁剥离，从而加速弹丸，如果采用较高压力的高压气体，混合弹丸将获得更大的加速。

另外，本发明制备的混合弹丸中的氘或氢，能进一步实现等离子体密度更高；混合弹丸中的氩或氖可以增大，能量辐射，结合两点，以达到减少等离子体破裂期间第一壁的热载荷，能降低等离子体破裂期间的逃逸电流，抑制逃逸电子的产生等。

本发明装置制备结构简单，同时能制作各类尺寸的混合冰冻弹丸。相对高Z气体注入来说，混合冰冻弹丸注入比高Z气体注入能实现更深沉的粒子沉积。

附图说明

图1为本发明中所述的一种制备混合冰冻弹丸的装置结构示意图；

图2为本发明实施例中制备混合冰冻弹丸时高Z杂质气体冻结吸附填满枪管内表面时的局部示意图；

图3为本发明实施例中混合冰冻弹丸制备完成后即将高速发射时的示意图；

其中：1-枪管、2-冻结装置、3-加热丝、4-低Z冰层、5-高Z冰层、6-冻结区域、7-快阀、8-真空抽气口

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：

一种制备混合冰冻弹丸的装置，包括:枪管1、冻结装置2、快阀7、排气管和加热丝3；所述枪管1的外壁中部固定环套有冻结装置2，所述枪管1的外壁上还环套有若干个加热丝3，所述环套在枪管1上的若干个加热丝3以冻结装置2为中心位置对称设置；所述冻结装置2的外壁上也设置有加热丝3；所述快阀7通过排气管与枪管1其中一端的端口相连接。

所述加热丝3根据气体三相点的温度数值进行功率调节，以输出适合制备混合冰冻弹丸的加热温度。

所述枪管1整体为中空圆柱形结构，枪管1的两端还安装有真空抽气装置。

所述冻结装置2还包括低温制冷器和冻结区域6，所述低温制冷器的制冷温度范围在低Z加料气体的三相点以下3-4℃。

所述真空抽气装置包括两个真空抽气口8，两个真空抽气口8分别对称设置在枪管1两端的端口。

高Z指的是原子序数较高的元素；反之低Z指的是原子序数较低的元素，Z指的原子序数。

一种如上所述的任意一项制备混合冰冻弹丸的装置的制备方法，包括如下步骤：

第一步：先将枪管1两端真空抽气装置开启，进行真空抽气，空气通过在枪管1两端的端口处设置的真空抽气口8排出，保证枪管内无其他气体后，关闭真空抽气装置；启动冻结装置2的低温制冷装置，将枪管1内表面中冻结装置2的冻结区域温度降至低Z加料气体三相点以下3-4℃，同时按照计算所需的气量缓慢送入低Z加料气体，此时枪管1的内表面冻结一层低Z加料冰层；

第二步：再开启枪管1两端真空抽气装置，将枪管内的低Z加料气体抽除，关闭真空抽气装置；抽除后缓慢向枪管内送入高Z杂质气体，直至枪管1内表面中冻结装置2的冻结区域被高Z杂质气体冻结吸附填满；

第三步：再次开启枪管1两端真空抽气装置，将枪管内的高Z气体抽除，同时开启加热丝3适当加热冻结装置2的冻结区域；枪管开启这时混合冰冻弹丸将高速发射。

所述本发明制备的混合冰冻弹丸，主要由两层构成，外表面为低Z杂质冰层，其材料是低Z物质(如氘、氢等)；内部为高Z杂质冰柱，其材料是高Z杂质物质(如氩、氖等)；

所述低Z加料气体在本实施例中为氘、氢等，所述高Z杂质气体在本实施例中为氩、氖。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。