适用于具有V型偏滤器结构的托卡马克装置的抽气系统和方法与流程

本发明涉及磁约束核聚变装置，具体而言，涉及一种适用于具有v型偏滤器结构的托卡马克装置的抽气系统和方法。

背景技术：

1、托卡马克装置利用磁场约束等离子体，并通过偏滤器系统接收沿开放磁力线输运的粒子和能量。偏滤器系统通常包括内偏滤器区域和外偏滤器区域，内偏滤器区域和外偏滤器区域分别设置有内偏滤器靶板和外偏滤器靶板。部分托卡马克装置的外偏滤器区域采用v型结构，以在外偏滤器区域内形成相应的粒子输运、中性粒子压缩及能量耗散条件。

2、托卡马克装置通常还设置有抽气系统，用于抽排未参与反应的燃料粒子、氦灰以及偏滤器来源杂质。抽气系统的运行状态会影响偏滤器区域内的中性粒子密度、杂质输运及偏滤器上游区域的粒子分布。抽气系统一般包括抽气口和与抽气口连通的抽气泵，抽气口的位置及其与偏滤器内部粒子流动通道之间的连通关系，会影响抽气系统对不同区域的抽气作用。

3、在具有v型偏滤器结构的托卡马克装置中，可以在内偏滤器靶板与挡板之间形成一条泄漏通道，并在外偏滤器靶板与挡板之间形成另一条泄漏通道。偏滤器区域内的中性粒子可以沿不同泄漏通道输运。当中性粒子未被及时抽排时，其中一部分中性粒子可能向偏滤器上游区域输运，并对边界等离子体密度和杂质输运状态产生影响。

4、现有的一种抽气布置方式是将抽气口设置在靠近外侧泄漏通道的位置，使抽气口能够对该泄漏通道进行较为直接的抽气。该布置方式有利于缩短抽气口与相应泄漏通道之间的粒子输运路径，因而在进行抽气系统设计时，通常会优先考虑抽气口与主要抽气通道之间的接近程度。在抽气口位置基本确定后，可以通过调整抽气泵的运行抽速改变粒子抽排能力。

5、然而，当抽气口主要邻近其中一条泄漏通道时，抽气作用容易集中于该泄漏通道，对另一泄漏通道内中性粒子流动状态的影响相对有限。两个泄漏通道由此可能形成不同的抽气流量和压力分布，未得到充分抽气的泄漏通道仍可能存在中性粒子向偏滤器上游区域输运的情况。仅提高抽气泵的运行抽速，可以增强邻近泄漏通道的抽气作用，但不一定能够相应改善另一泄漏通道的粒子抽排状态。

6、另一方面，偏滤器脱靶运行通常需要在外偏滤器区域内保持相应的中性粒子密度、辐射水平和能量耗散条件。按照扩大抽气覆盖范围或提高抽速的思路增强粒子抽排时，可能同时降低外偏滤器区域内的中性粒子密度，进而影响v型外偏滤器区域的中性粒子压缩和辐射条件。因此，粒子抽排能力与脱靶运行所需的中性粒子条件之间存在相互制约，难以通过单纯提高抽速进行协调。

7、此外，偏滤器来源杂质的输运状态与中性粒子分布及偏滤器区域内的等离子体流动状态相关。抽气作用集中于单一泄漏通道时，另一泄漏通道附近的中性粒子和杂质仍可能向偏滤器上游区域输运，对杂质屏蔽及等离子体有效电荷数的控制产生影响。

8、因此，对于具有v型偏滤器结构及两个泄漏通道的托卡马克装置，现有抽气布置仍需进一步协调不同泄漏通道的粒子抽排状态。相关抽气系统需要在不过度降低外偏滤器区域中性粒子压缩和辐射条件的情况下，使两个泄漏通道均能够得到有效抽气，并降低中性粒子和偏滤器来源杂质向偏滤器上游区域输运的程度。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。

2、为此，本发明第一方面提供了一种适用于具有v型偏滤器结构的托卡马克装置的抽气系统。

3、本发明第二方面提供了一种适用于具有v型偏滤器结构的托卡马克装置的抽气方法。

4、本发明提供了一种适用于具有v型偏滤器结构的托卡马克装置的抽气系统，所述托卡马克装置包括内偏滤器区域、外偏滤器区域、内偏滤器靶板、外偏滤器靶板和挡板，所述内偏滤器靶板设置于所述内偏滤器区域，所述外偏滤器靶板设置于所述外偏滤器区域，所述外偏滤器区域具有v型结构；

5、所述内偏滤器靶板与所述挡板之间形成第一泄漏通道，所述外偏滤器靶板与所述挡板之间形成第二泄漏通道，所述第一泄漏通道和所述第二泄漏通道均连通所述挡板朝向等离子体一侧的偏滤器区域与所述挡板背离等离子体一侧的真空室内抽气区域，并分别具有朝向所述真空室内抽气区域的第一通道出口和第二通道出口；

6、所述抽气系统包括抽气单元，所述抽气单元包括抽气口，所述抽气口设置于所述真空室内抽气区域，且在所述托卡马克装置的极向截面内位于所述第一通道出口和所述第二通道出口之间，并分别与所述第一泄漏通道和所述第二泄漏通道气体连通。

7、根据本发明上述技术方案的适用于具有v型偏滤器结构的托卡马克装置的抽气系统，还可以具有以下附加技术特征：

8、在上述技术方案中，所述抽气口位于所述第一通道出口和所述第二通道出口之间的中部区域，并分别通过第一抽气连通路径和第二抽气连通路径与所述第一通道出口和所述第二通道出口连通，所述第一抽气连通路径和所述第二抽气连通路径在所述极向截面内分设于所述抽气口的两侧。

9、在上述技术方案中，所述抽气单元包括与所述抽气口连通的抽气泵，所述抽气泵通过所述抽气口同时对所述第一泄漏通道和所述第二泄漏通道进行抽气。

10、在上述技术方案中，在相同的托卡马克装置运行工况和抽气单元运行抽速下，经由所述第一泄漏通道流向所述抽气口的中性粒子流量为q1，经由所述第二泄漏通道流向所述抽气口的中性粒子流量为q2，q1和q2满足：

11、0.5≤q1/q2≤2。

12、在上述技术方案中，所述抽气泵为低温泵。

13、本发明还提供了一种适用于具有v型偏滤器结构的托卡马克装置的抽气方法，所述托卡马克装置包括内偏滤器区域、外偏滤器区域、内偏滤器靶板、外偏滤器靶板和挡板，所述外偏滤器区域具有v型结构，所述内偏滤器靶板与所述挡板之间形成第一泄漏通道，所述外偏滤器靶板与所述挡板之间形成第二泄漏通道；

14、所述抽气方法包括：

15、将抽气口设置于所述挡板背离等离子体一侧的真空室内抽气区域，并使所述抽气口在所述托卡马克装置的极向截面内位于所述第一泄漏通道的第一通道出口和所述第二泄漏通道的第二通道出口之间；

16、启动与所述抽气口连通的抽气单元，使所述挡板朝向等离子体一侧的偏滤器区域内的粒子分别经由所述第一泄漏通道和所述第二泄漏通道进入所述真空室内抽气区域，并通过所述抽气口被抽取。

17、在上述技术方案中，确定所述抽气口的位置包括：

18、在所述第一通道出口和所述第二通道出口之间的中部区域内确定多个候选抽气口位置；

19、在相同的托卡马克装置运行工况和抽气单元运行抽速下，分别确定各候选抽气口位置对应的第一泄漏通道中性粒子流量q1和第二泄漏通道中性粒子流量q2；

20、根据各候选抽气口位置对应的q1与q2的差异，从所述多个候选抽气口位置中确定所述抽气口的位置。

21、在上述技术方案中，所述抽气单元在所述抽气口处的有效抽速大于0且不大于60m3/s。

22、在上述技术方案中，所述抽气单元所抽排的粒子包括燃料粒子、氦灰和偏滤器来源杂质中的至少一种，所述偏滤器来源杂质包括碳杂质和/或其他偏滤器来源杂质。

23、在上述技术方案中，在相同的托卡马克装置运行工况和抽气单元运行抽速下，经由所述第一泄漏通道流向所述抽气口的中性粒子流量为q1，经由所述第二泄漏通道流向所述抽气口的中性粒子流量为q2，q1和q2满足：

24、0.5≤q1/q2≤2。

25、综上所述，由于采用了上述技术特征，本发明的有益效果是：

26、本发明将抽气口设置在挡板背离等离子体一侧的真空室内抽气区域，并使抽气口在托卡马克装置的极向截面内位于第一通道出口和第二通道出口之间，由此使抽气口能够分别与内偏滤器靶板和挡板之间的第一泄漏通道以及外偏滤器靶板和挡板之间的第二泄漏通道连通。该布置能够减少抽气作用集中于单一泄漏通道的情况，使两个泄漏通道均能够参与粒子抽排。具体的，抽气口邻近第一通道出口和第二通道出口之间的中部区域，第一泄漏通道和第二泄漏通道分别形成朝向抽气口的抽气连通路径。通过对抽气口位置进行设置，可以协调两个泄漏通道的中性粒子流量，使两个泄漏通道获得相对均衡的抽气作用，提高抽气系统对不同泄漏通道内中性粒子的抽排能力。

27、在两个泄漏通道均参与抽气的情况下，可以降低中性粒子经任一泄漏通道向偏滤器上游区域返流的概率，并相应降低偏滤器上游区域的中性粒子密度。在本技术所采用的仿真工况及相同抽速条件下，与抽气口邻近单侧泄漏通道的对比方案相比，相关区域的中性粒子密度分别降低约40%和61%，表明抽气口位置对两个泄漏通道的粒子抽排状态具有有效调节作用。

28、抽气口位于挡板背离等离子体的一侧，挡板对抽气口与外偏滤器区域之间形成空间分隔，抽气作用主要通过第一泄漏通道和第二泄漏通道的出口区域传递。该布置能够在抽排泄漏通道内中性粒子的同时，减小抽气口对外偏滤器v型结构附近中性粒子高密度区域的直接抽吸影响，有利于保留该区域的中性粒子压缩和辐射条件，并为偏滤器脱靶运行提供相应的边界条件。

29、两个泄漏通道的共同抽气能够调整偏滤器区域内的中性粒子分布和粒子流动状态，使偏滤器来源杂质更多地保留在偏滤器区域内，减少杂质经泄漏通道向偏滤器上游区域及核心等离子体区域输运。在以碳为典型杂质的数值模拟中，本发明的抽气口布置能够降低分离面附近的碳杂质通量以及外偏滤器靶板附近的碳杂质密度，从而改善偏滤器对碳杂质的屏蔽状态。对于具有相应输运特性的其他偏滤器来源杂质，也可以采用本发明进行抽排和输运控制。

30、在氘气注入并形成脱靶运行条件的数值模拟工况下，采用本发明的抽气口布置后，分离面附近的最大有效电荷数zeff由约1.16降低至约1.12。该结果表明，本发明能够在相应运行条件下兼顾脱靶运行所需的中性粒子条件和偏滤器来源杂质的输运控制。

31、与主要依靠提高抽气泵抽速的调节方式相比，本发明通过设置抽气口与两个泄漏通道出口之间的空间关系，改善抽气作用在两个泄漏通道之间的分配。在达到相应粒子抽排效果的情况下，可以降低对继续提高抽气泵额定抽速的依赖，并根据托卡马克装置的运行工况选择相应的抽速。

32、本发明主要通过抽气口与第一泄漏通道、第二泄漏通道及挡板之间的位置和连通关系实现双通道抽气，不以抽气泵的具体数量、抽气泵相对于真空室的内外位置以及抽气连接结构的具体形式作为必要条件，因而能够适配不同形式的托卡马克抽气设备和抽气系统布局。

33、本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。