一种适用于托卡马克装置破裂缓解的注入器

1.本发明属于核聚变能技术领域，更具体地，涉及一种适用于托卡马克装置破裂缓解的注入器。


背景技术：

2.等离子体大破裂的发生不仅会终止放电，其释放的巨大能量及感应出的电磁力还会造成装置的损坏，因此破裂缓解是未来聚变堆(如iter)亟待解决的关键科学问题之一。目前主流的破裂缓解手段主要通过高压气体注入大量杂质来辐射大部分能量，缓解热负荷，但现有破裂缓解系统由于是气体推进，受限于气体声速，注入速度均不足600m/s，从触发到注入等离子体需要二十毫秒甚至更长的时间，可能无法在破裂缓解需求的时间内将杂质注入等离子体中，这将大大影响其破裂缓解效果，对装置安全运行带来潜在的危害。
3.目前正在发展的破裂缓解装置电磁粒子注入器(electromagnetic particle injector,epi)利用轨道炮联合外磁场的方式成功的将弹丸在2ms内加速到600m/s。但epi只在200m/s的速度下成功实现电枢与弹丸的分离，同时出现了电枢撞击到分离板后碎裂的现象。若进一步提高电枢速度，势必会在撞击后产生更多高速飞行的金属碎片，成为炮体及托卡马克装置的安全隐患，同时高速下电枢与弹丸能否稳定分离也未可知。因此epi还不具备完善的弹丸注入能力。
4.对于未来聚变堆而言，未经缓解的破裂可能会对装置造成巨大的破坏，因此迫切需要一种具备极快响应速度的破裂缓解装置，能够在破裂发生时及时将杂质注入到等离子体中辐射其内部能量，同时注入的杂质需要具备足够的速度使其能穿透到等离子体芯部实现更高效的破裂缓解，为装置安全稳定的运行提供可靠的保障。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于托卡马克装置破裂缓解的注入器，其目的在于在等离子体发生破裂时快速响应并高速发射弹丸。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种适用于托卡马克装置破裂缓解的注入器，包括：填弹装置、电磁加速轨道和电磁减速分离轨道；
7.填弹装置与电磁加速轨道贯穿对接；电磁加速轨道与电磁减速分离轨道通过绝缘轨道贯穿对接；
8.填弹装置，用于将电枢装填入电磁加速轨道；
9.电磁加速轨道，用于利用电磁力推进携带弹丸的电枢到达设定速度；
10.电磁减速分离轨道，用于利用电磁力产生反向加速度作用于电枢，使电枢与弹丸分离，实现注入。
11.进一步地，所述注入器还包括电流控制模块，用于调整减速分离轨道段的电流波形，使电枢在减速过程中受力稳定可控。
12.进一步地，填弹装置包括电缸、电缸支架、电枢推杆及过渡轨道；
13.电缸固定于电缸支架上方；电缸支架与过渡轨道连接；过渡轨道由贯穿螺栓固定于电磁加速轨道膛口，电磁加速轨道膛口内设置有缓坡；电枢推杆贴合固定于电缸头部；
14.过渡轨道上方开槽，作为电枢装填口；
15.电缸用于带动电枢推杆，将携带弹丸的电枢推进电磁加速轨道膛内。
16.进一步地，电磁加速轨道包括加速段汇流排、加速段内导轨、加速段外导轨、第一绝缘支撑结构和第一金属外壳；
17.加速段汇流排与加速段内导轨、加速段外导轨由贯穿螺栓压紧，形成加速段放电回路；
18.加速段内导轨、加速段外导轨通过第一绝缘支撑结构固定于第一金属外壳中；导轨正负极间及导轨与外壳间绝缘。
19.进一步地，电磁减速分离轨道包括减速段汇流排、减速段内导轨、减速段导轨、第二绝缘支撑结构和第二金属外壳；
20.所述减速段汇流排与减速段内导轨、减速段外导轨由贯穿螺栓压紧，形成减速段放电回路；
21.减速段内导轨、减速段外导轨通过第二绝缘支撑结构固定于金属外壳中；导轨正负极间及导轨与外壳间绝缘。
22.进一步地，电磁减速分离轨道为楔形导轨；远离轨道尾部口径较大，靠近轨道尾部口径小。
23.进一步地，加速段内导轨、加速段外导轨、减速段内导轨、减速段外导轨材料为黄铜。
24.进一步地，电磁加速轨道与电磁减速分离轨道安装于同一金属底座中
25.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
26.(1)相较于其他正在发展的电磁注入破裂缓解装置所采用的撞击分离减速的方法，本发明利用电磁轨道炮发射的逆过程作用在电枢上的电磁力，能够实现电枢与弹丸间形成100倍以上的加速度比，提高了弹丸惯性分离的成功率。
27.(2)本发明弹丸与电枢的分离过程在膛内完成，利用炮膛对电枢的kn级预紧力约束以及电流流过电枢时在两尾翼间产生的电磁斥力，保证了电枢与导轨间良好的接触，减弱了电枢减速过程中的震动，稳定了脱离过程中及脱离完成后弹丸的飞行轨迹，保证了弹丸注入的准直性。
28.(3)加速完成后，撞击分离的冲击力会集中于尾翼造成电枢尾翼破坏，并产生高速飞溅的金属碎片，受益于轨道炮的优势，本发明中电枢受到的电磁力将更均匀的分布于肩部。注入器所具备的放电控制模块可以通过调整充电机充电电压改变脉冲电源内各组电容器的初始电压，通过调整电力电子开关器件的触发延时控制脉冲电源内各组电容器的放电时序，从而实现对发射过程中电流波形的调控。而通过对减速分离段电流波形的调整可以使电枢在减速过程中受力稳定可控，避免了由于应力集中导致的电枢断裂甚至粉碎的现象。
29.(4)轨道炮电枢填充后需要保持较大的预紧力以保证电枢与导轨间良好的电接触，拆卸填弹的方法耗时费力，并且会造成明显的接触不对称现象。本发明采用大推力电
缸、推杆与过渡轨道相结合的方式，电枢填入无预紧力的过渡轨道后，由电缸带动推杆将电枢向膛内推进，并在与过渡轨道对接的电磁加速轨道膛口内通过缓坡逐渐压紧过渡至膛内，填弹过程无需拆卸预紧螺栓。本发明所设计的推杆头贴合电枢喉部，推进过程中起到支撑作用，使电枢在填弹过程中保持稳定姿态，减弱了填弹造成的接触不对称现象。
30.(5)在多次发射后，轨道炮轨道与电枢的接触面状况变差，容易出现转捩烧蚀等问题，更换较为频繁。本发明采用内外导轨设计，通过贯穿螺栓将内外导轨压紧，保证导轨具备设计的电气参数。在发射过程中，仅内导轨与电枢直接接触。因此多次发射后仅需更换内轨，而外轨则无需更换，节约了实验耗材。
31.(6)相较于散裂弹丸注入与大量气体注入，本发明利用电磁力加速弹丸，突破了气体声速限制。在聚变堆级托卡马克的破裂缓解应用中，更高的注入速度可以使弹丸的沉积位置更接近芯部，在提高了粒子同化率的同时增大了芯部等离子体的密度，对等离子体内能辐射及逃逸电子耗散都具有积极的作用。
32.(7)对于聚变堆级托卡马克而言，现有破裂缓解系统30-40ms的响应速度难以匹配破裂预测系统10ms上下的预警时间。本发明采用的轨道炮加速方式整个加速过程持续时间仅2-4ms，假设飞行距离为2米，则飞行时间约4-2ms，整体响应时间将在10ms以内，具备联合破裂预测系统进行破裂缓解的能力。
附图说明
33.图1为一种适用于托卡马克装置破裂缓解的电磁注入器结构图，包括填弹装置1，电磁加速轨道2和电磁减速分离轨道3。
34.图2为电磁注入原理图，两侧的虚线框与实线框分别代表电磁加速轨道及电磁减速分离轨道，材料为黄铜，电磁加速轨道与电磁减速分离轨道间实线方框代表绝缘块，图中上下轨道中间的矩形框为电枢及其头部固定的杂质弹丸，两侧c1、c2分别代表加速脉冲电源、减速脉冲电源。
35.图3为填弹装置结构图。
36.图4为装填刷电枢后的过渡轨道主视图。
37.图5为用于装填c型电枢及刷电枢的推杆头示意图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
39.本发明针对现存破裂缓解装置响应速度低，与破裂预测系统联动所需预警时间长的关键问题，提出了利用电磁轨道炮原理实现高速弹丸注入的方案。该方案由脉冲电流及磁场相互作用产生的强大电磁力推进携带弹丸的电枢到设定速度，在此基础上，针对如何实现弹丸与电枢分离、电枢短距离减速回收以及电枢快速填充等问题，设计了电磁减速分离轨道以及快速填弹装置；其中，电磁减速分离轨道利用电磁轨道炮发射的逆过程实现快速可控的弹枢分离及电枢减速；快速填弹装置利用电缸及过渡轨道实现快捷的电枢填充。
本发明可以联合破裂预测系统，在更短的预警时间内对等离子体破裂做出快速响应，完成弹丸注入，是用于托卡马克破裂缓解的新方式。
40.参考图1，本发明提供的一种适用于托卡马克装置破裂缓解的注入器，包括：填弹装置、电磁加速轨道和电磁减速分离轨道；填弹装置与电磁加速轨道贯穿对接；电磁加速轨道与电磁减速分离轨道通过绝缘轨道贯穿对接；填弹装置，用于将电枢装填入电磁加速轨道；电磁加速轨道，用于利用电磁力推进携带弹丸的电枢到达设定速度；电磁减速分离轨道，用于利用电磁力产生反向加速度作用于电枢，使电枢与弹丸分离，实现注入。
41.电磁加速轨道包括加速段汇流排、加速段内导轨、加速段外导轨、第一绝缘支撑结构和第一金属外壳；
42.加速段汇流排与加速段内导轨、加速段外导轨由贯穿螺栓压紧，形成加速段放电回路；加速段内导轨、加速段外导轨通过第一绝缘支撑结构固定于第一金属外壳中；导轨正负极间及导轨与外壳间绝缘。
43.电磁减速分离轨道包括减速段汇流排、减速段内导轨、减速段导轨、第二绝缘支撑结构和第二金属外壳；减速段汇流排与减速段内导轨、减速段外导轨由贯穿螺栓压紧，形成减速段放电回路；减速段内导轨、减速段外导轨通过第二绝缘支撑结构固定于金属外壳中；导轨正负极间及导轨与外壳间绝缘。
44.优选地，电磁加速轨道及电磁减速分离轨道安装于同一金属底座中。
45.图2所示为本发明电磁注入原理图，两侧的虚线框与实线框分别代表电磁加速轨道及电磁减速分离轨道，材料为黄铜。电磁加速轨道与电磁减速分离轨道间实线方框代表绝缘块。图中上下轨道中间的矩形框为电枢及其头部固定的杂质弹丸，电枢由铜或铝制成，具有良好的导电性，同时为保证电枢与导轨的良好接触，电枢被紧紧压在上下轨道间，两侧c1、c2分别代表加速脉冲电源、减速脉冲电源。
46.在注入前，电枢与杂质弹丸装配体被装进加速轨道尾部，注入信号首先触发加速脉冲电源c1放电，电流流向如图2左侧箭头所示，同时脉冲电流也会在导轨间产生垂直于纸面向内的磁场，电枢中流过的电流与电流产生的磁场相互作用产生巨大的安培力f作用于电枢，使电枢快速加速，加速过程结束后电枢经过绝缘轨道进入减速轨道，此时减速脉冲电源c2触发放电，电流流向如图2右侧所示，与加速过程类似，电流流经轨道在轨道间产生垂直于纸面向外的磁场，电枢中的电流与磁场相互作用产生安培力f使电枢速度快速下降，同时巨大的反向加速度使固定在电枢头部的杂质由于惯性脱离电枢高速飞出，而电枢则继续减速，最终使其出膛速度降低到可接受的范围内以便回收，整个注入过程结束。
47.为保证电枢与导轨的良好接触，所设计的电枢都会有适当的过盈量使导轨紧紧压住电枢尾翼，在发射过程中，由于磨损及脉冲电流导致的电枢表面烧蚀，电枢与导轨接触状况会逐渐变差，导致转捩等问题发生，因此为保证减速段导轨与电枢的良好接触，在对电枢损耗进行估量后，设计了楔形导轨，在减速段通过增加导轨厚度缩小口径，补偿了由于磨损而降低的过盈量，确保了减速分离过程中电枢与导轨的良好接触。
48.参考图3，填弹装置包括电缸、电缸支架、电枢推杆及过渡轨道；
49.电缸通过螺栓连接于电缸支架，电缸支架通过螺栓连接于过渡轨道，过渡轨道由贯穿螺栓固定于电磁加速轨道膛口；电枢推杆固定于电缸头部，填弹时由电缸带动将电枢推进电磁加速轨道膛内；过渡轨道上方开槽，作为电枢装填口。
50.过渡轨道与电磁加速轨道膛口对接，内部设有用于限位的台阶，电枢在填弹孔填入后将落入限位台阶，其中刷电枢装填限位图如图4所示。电缸由上位机控制带动推杆推进电枢，可以实现匀速填弹、冲击填弹等多种填弹模式。通过对电缸行程的控制可以精确的调整电枢发射的膛内初始位置，有利于多次发射的一致性。所设计的电枢推杆可安装不同类型的推杆头用于推进不同类型的电枢。推杆头如图5所示，c型电枢推杆头曲线可以贴合c型电枢喉部，刷电枢基底则可以嵌入到刷电枢推杆头中，因此在填充过程中可以固定电枢的行进姿态，保持电枢稳定性，一定程度上削弱了填弹过程造成的电枢与导轨间接触的不对称性。电枢推出过渡轨道后进入电磁加速轨道膛口，经过2
°
缓坡逐渐抬升，同时受导轨挤压预紧力逐渐提升，直到完全推入导轨到达设定位置，完成填弹过程。相较于拆卸式填弹，填弹装置可以更快速完成电枢装填过程，并且无需耗费人力，大大提高了发射效率。
51.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。