阅读说明：本技术 一种利用夹心弹丸实现聚变堆等离子体芯部加料的方法 (Method for realizing fusion reactor plasma core charging by using sandwich shot ) 是由 左桂忠 胡建生 李成龙 孟献才 黄明 钱玉忠 徐伟 孙震 陈跃 李琳 汤中亮 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用夹心弹丸实现聚变堆等离子体芯部加料的方法,夹心弹丸放置于加料室内,真空泵机组连接加料室为加料室提供真空环境避免夹心弹丸金属壳表面氧化；送料管道连接加料室及弹丸注入器,弹丸注入器是为高速弹丸提供动力的装置；本发明采用双层“夹心”弹丸注入的方式,表层使用锂或铍保护壳,里层填充固态的聚变燃料氢同位素或氘化锂材料。在聚变堆高温等离子体放电过程中,将夹心弹丸以高速注入到等离子体中,利用夹心弹丸表层的金属壳的耐烧蚀性,保护夹心弹丸内层的核燃料顺利通过等离子体边缘陡峭的台基区,进入等离子体芯部,实现燃烧等离子体芯部加料的需求。(The invention discloses a method for realizing fusion reactor plasma core charging by using sandwich pellets, wherein the sandwich pellets are placed in a charging chamber, and a vacuum pump unit is connected with the charging chamber to provide a vacuum environment for the charging chamber so as to avoid the oxidation of the surface of a metal shell of the sandwich pellets; the feeding pipeline is connected with the feeding chamber and the shot injector, and the shot injector is a device for providing power for high-speed shots; the invention adopts a double-layer sandwich pellet injection mode, the surface layer uses a lithium or beryllium protective shell, and the inner layer is filled with a solid fusion fuel hydrogen isotope or lithium deuteride material. In the high-temperature plasma discharge process of a fusion reactor, a sandwich pellet is injected into plasma at a high speed, and nuclear fuel on the inner layer of the sandwich pellet is protected to smoothly pass through a base region with a steep edge of the plasma and enter a plasma core by utilizing the ablation resistance of a metal shell on the surface layer of the sandwich pellet, so that the requirement of feeding the core of the burning plasma is met.)

一种利用夹心弹丸实现聚变堆等离子体芯部加料的方法

技术领域

本发明涉及聚变反应堆领域，主要涉及一种利用夹心弹丸实现聚变堆等离子体芯部加料的方法。

背景技术

能源是人类文明得以维持和发展的基础。高效、清洁、安全、原料丰富的磁约束热核聚变能可以说是人类解决能源危机的最佳途径。国际热核聚变实验堆(ITER)全面建设为磁约束热核聚变研究提供了前所未有的机遇。

未来的ITER装置计划采用高约束等离子体运行模式(H模)。在高约束模式下，托卡马克等离子体边界自发形成温度、密度和压力台基(pedestal)，径向很窄区域内(约1>r/a>0.9)，具有陡峭的压强梯度区域，也就是边界输运垒。台基以内的等离子体区域一般称之为等离子体芯部区域，实验发现芯部温度梯度受到微观不稳定性阈值的限制而具有刚性分布的特点，所以台基高度基本决定芯部等离子体可达到的最高温度和整体能量约束以及聚变增益。

目前及未来的ITER装置主要的加料手段包括：普通充气、超声分子束注入充气及冰燃料弹丸注入的方式。其中普通充气的方式相应时间大于0.2s，注入速度慢。超声分子束注入充气是高压的亚声速气体通过Laval喷管膨胀后注入真空区,形成超声分子束流SMBI的速度在400～1200m/s之间，粒子沉积位置在最外磁面内3～8cm处(欧姆放电下)，SMBI延迟时间：2～6ms。冰燃料弹丸注入是将氢/氘等聚变燃料制成冰丸，并通过气体推进的弹丸注入系统注入到等离子体，具有响应时间快，注入速度300-500m/s。相比而言，弹丸注入是最理想的加料方式，为未来ITER装置所采用。

然而，对未来的聚变堆而言，由于具有很高的加热功率(～GW量级)，台基区将具有很高的等离子体温度及密度。普通的氘氚冰弹丸在经过台基区进入芯部的过程中，容易很快被等离子体消融掉，很难进入到等离子体芯部，这将是制约未来聚变反应的瓶颈之一。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种利用夹心弹丸实现聚变堆等离子体芯部加料的方法，以解决未来聚变堆装置内等离子体芯部加料的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种利用夹心弹丸实现聚变堆等离子体芯部加料的方法，包括：加料室、送料管道、真空泵机组、弹丸注入器、聚变堆、等离子体及等离子体芯部；步骤如下：

步骤1：首先利用真空泵机组对加料室抽气，实现真空度优于10^-3Pa的要求，避免夹心弹丸表面的氧化变质；

步骤2：将夹心弹丸放置于加料室内，完成加料室夹心弹丸的填充；

步骤3：通过弹丸注入器实现弹丸的加速，夹心弹丸注入速度大于500m/s；

步骤4：注入到聚变堆装置等离子体的夹心弹丸，通过边缘陡峭的台基区，在该区域利用夹心弹丸表层的锂或铍壳的耐烧蚀性，保护内层的核燃料顺利通过台基区进入到等离子体的芯部区域，并在芯部区域发生聚变反应，实现聚变反应芯部加料。

所述的夹心弹丸为固态球形弹丸，分为里外两层；表面层为保护壳，其材料为锂及铍，它们是具有低的原子序数，与聚变等离子体兼容且相对氢同位素更耐烧蚀的材料；其中锂材料是一种非常重要的聚变材料，中子照射锂材料可以得到氚。铍材料也是一种优异的核材料，可以实现中子的倍增。同样速度、同样尺寸的弹丸，锂或铍弹丸比氘弹丸更容易穿透等离子体，可能因为锂或铍熔点温度相对高，热载相对大。夹心弹丸里层包裹固态的聚变燃料氢同位素或氘化锂材料。

所述的弹丸注入器为高速的弹丸注入装置，可获得>500m/s的弹丸注入速率；对于聚变堆装置而言，聚变堆尺寸越大、等离子体密度及温度参数越高，等离子体芯部加料所需同等尺寸及材质的弹丸速度越大。

本发明所述的高速的弹丸注入装置可以为离心加速注入装置，也可以为电磁加速注入装置；对于要求更高速度的弹丸，还可使用离心加速与电磁加速混合的加速装置。

所述的聚变堆为磁约束聚变反应堆装置，采用螺旋磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使其受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。

所述的等离子体为离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态，约束在磁约束聚变装置内部。

所述的芯部加料是将等离子体放电所需的燃料通过加速的方式送入到等离子体的芯部区域，其中等离子体芯部对于高约束等离子体模式而言是陡峭的台基区以内的区域，该区域等离子体温度高、密度高，聚变燃料将电离及完成聚变反应。

所述的真空泵机组连接到加料室，为加料室提供真空度小于10^-3Pa的真空环境，避免夹心弹丸表面金属壳特别是锂的氧化。

上述结构在聚变堆高温等离子体放电过程中，将夹心弹丸以高速注入到等离子体中，利用夹心弹丸表面的金属壳的耐烧蚀性，保护夹心弹丸内层的核燃料顺利通过等离子体边缘陡峭的台基区，进入等离子体芯部，实现燃烧等离子体芯部加料的需求。

本发明的优点是：

本发明采用双层“夹心”弹丸注入的方式，表面使用锂或铍保护壳，里层填充固态的聚变燃料氢同位素或氘化锂材料。在聚变堆高温等离子体放电过程中，将夹心弹丸以高速注入到等离子体中，利用夹心弹丸表面的金属壳的耐烧蚀性，保护夹心弹丸内层的核燃料顺利通过等离子体边缘陡峭的台基区，进入等离子体芯部，实现燃烧等离子体芯部加料的需求。本发明的方法效地解决聚变堆内燃烧等离子体芯部加料的问题，通过夹心弹丸高速注入的方式，为未来聚变堆中芯部加料提供一种新方法。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为本发明提出的夹心弹丸示意图；

图3为本发明等离子体芯部及台基区域展示图。

图中：聚变堆1、等离子体2、夹心弹丸3、加料室4、送料管道5、真空泵机组6、弹丸注入器7、出料管道8、夹心弹丸里层9、表层10、等离子体芯部11、台基区12。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参见附图1-3，一种利用夹心弹丸实现聚变堆等离子体芯部加料的方法，包括有夹心弹丸3、加料室4、送料管道5、真空泵机组6、弹丸注入器7、聚变堆1、等离子体2及等离子体芯部11。所述的夹心弹丸3放置于加料室4内，所述的真空泵机组6连接加料室，所述的送料管道5连接加料室4及弹丸注入器7，所述的弹丸注入器7为弹丸的加速推动装置，所述的聚变堆1为磁约束聚变反应堆装置，所述的等离子体2为离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态，所述的等离子体芯部11对于高约束等离子体模式而言是陡峭的台基区12以内的区域。

作为关键部件的夹心弹丸3为固态球形弹丸，分为里外两层；表层10为保护壳，其材料为锂及铍，它们是具有低的原子序数，与聚变等离子体兼容且相对氢同位素更耐烧蚀的材料；其中锂材料是一种非常重要的聚变材料，中子照射锂材料可以得到氚。铍材料也是一种优异的核材料，可以实现中子的倍增。夹心弹丸里层9包裹固态的聚变燃料氢同位素或氘化锂材料。

作为关键部件的弹丸注入器7为高速的弹丸注入装置，可获得>500m/s的弹丸注入速率；弹丸注入器通过送料管道5连接到加料室4，通过出料管道8连接到聚变堆装置。本发明所述的高速的弹丸注入装置可以为离心加速注入装置，也可以为电磁加速注入装置；对于要求更高速度的弹丸，还可使用离心加速与电磁加速混合的加速装置。

作为关键部件的聚变堆1为磁约束聚变反应堆装置，采用螺旋磁场(是指由环向场及极向场叠加组成的螺旋形磁场，目前本发明的装置大约2.5T，未来聚变堆更强；带电粒子围绕磁场线做螺旋运动，被磁场约束)把氘、氚等离子体2约束在聚变堆内部，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。

作为关键部件的等离子体2为离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态，约束在磁约束聚变装置内部。

作为关键部件的芯部加料是将等离子体放电所需的燃料通过加速的方式送入到等离子体芯部11区域，其中等离子体芯部11对于高约束等离子体模式而言是陡峭的台基区12以内的区域；在高约束等离子体中，在边缘等离子体区会自发形成边缘输运垒(ETB)，在ETB区内由于湍流及其驱动的输运被抑制了，形成了陡峭的压强梯度区，即等离子体台基区。在台基以内的芯部区域等离子体的密度及温度高，即等离子体的压强高(等离子体压强正比于等离子体密度及温度)，聚变燃料粒子在芯部区域电离及完成聚变反应。

作为关键部件的真空泵机组6连接到加料室4，为加料室4提供真空度小于10^-3Pa的真空环境，避免夹心弹丸3表层10金属壳特别是锂材料的氧化。

利用夹心弹丸实现聚变堆等离子体芯部加料的方法具体的工作流程如下：首先完成加料室夹心弹丸的填充，通过真空泵机组对加料系统抽气实现真空度优于10^-3Pa的要求，避免夹心弹丸表面的氧化变质。通过弹丸注入器实现弹丸的加速，根据不同的需求，选择合适的注入方式，实现大于500m/s夹心弹丸注入。注入到聚变堆装置等离子体的夹心弹丸，首先通过边缘陡峭的台基区，在该区域利用夹心弹丸表层的锂或铍壳的耐烧蚀性，保护内层的核燃料顺利通过台基区进入到等离子体的芯部区域，并在芯部区域发生聚变反应，实现聚变反应芯部加料的需求。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。