一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统及方法，包括电子回旋辐射计、微波反射计、米尔诺夫探针、电子回旋辐射成像、第一采集器、中央处理器、干涉仪、动态斯塔克效应谱仪、磁线圈、电荷交换谱仪、第二采集器、高性能计算机和TAE频率实时处理器。准确测量燃烧等离子体中环向阿尔芬本征模的频率和准确计算相同条件下氘氘等离子体中TAE频率就可以获取氘氚燃料比。相较于现有技术而言，即使燃烧等离子体处于不均匀分布状态也可以对其整体进行测量，并根据测量数据进行计算得到氘氚燃料比，进而为聚变产物α粒子的加热效应、高低约束模转换功率阈值及约束时间提供了安全、准确、快速测量氘氚燃料比的方法。快速测量氘氚燃料比的方法。快速测量氘氚燃料比的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统及方法


[0001]本专利技术涉及核科学
，具体涉及一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统及方法。

技术介绍

[0002]核聚变能是一种安全、无污染的清洁能源，是核能发展“热堆
‑
快堆
‑
聚变堆”三步走战略的最后一步，也可能是解决人类能源问题的最终途径。核聚变能主要通过氢的同位素发生聚变产生，常见的聚变反应包括氘氘反应、氘氦反应和氘氚反应。氘氚聚变反应截面大，反应率较高，所以氘氚反应成为实现核聚变的最佳选择。欧盟JET装置和美国TFTR装置的氘氚实验表明，等离子体的有效质量对聚变产物α粒子的加热效应、高低约束模转换功率阈值及约束时间具有重要影响。等离子体的有效质量取决于燃料中氘和氚的比例，这意味着氘氚比的测量直接影响未来聚变堆约束性能。因此，必须找到能够安全、准确、快速测量氘氚燃料比的方法。
[0003]目前，能够测量氘氚燃料比的等离子体诊断有中性粒子分析仪和激光诱导击穿光谱仪。中性粒子分析仪主要通过测量不带电荷的氘和氚的粒子数量确定氘氚比。该诊断只能测量逃离等离子体约束区域的氘和氚粒子，只有等离子体均匀分布时才能准确反映氘氚比，但是真实的托克马克等离子体往往都是不均匀的。激光诱导击穿光谱仪是一种原位测量诊断，通过激光打击特定区域的氘和氚并使其产生特定波长的光谱，然后测量光谱特征从而获取氘和氚的相关信息。这种诊断空间分辨特别好，只能测量限定区域的参数，但是很难对等离子体氘氚燃料比做整体评估。随着国际热核试验堆即将运行，对氘氚燃料比测量技术需求越来越迫切。

技术实现思路

[0004]本申请所要解决的技术问题是现有的氘氚燃料比测量技术无法对不均匀分布的燃烧等离子体做整体评估，从而无法计算不均匀分布的燃烧等离子体中氘氚燃料比，目的在于提供一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统及方法，解决了无法计算不均匀分布的燃烧等离子体中氘氚燃料比的问题。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]本专利技术第一方面提供了一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统，包括
[0007]电子回旋辐射计、微波反射计、米尔诺夫探针、电子回旋辐射成像、第一采集器、中央处理器、干涉仪、动态斯塔克效应谱仪、磁线圈、电荷交换谱仪、第二采集器、高性能计算机、TAE频率实时处理器和显示器；
[0008]所述电子回旋辐射计、所述微波反射计、所述米尔诺夫探针、所述电子回旋辐射成像与所述第一采集器连接；所述第一采集器与所述中央处理器连接；
[0009]所述干涉仪、所述动态斯塔克效应谱仪、所述磁线圈、所述电荷交换谱仪与所述第二采集器连接；所述第二采集器与所述高性能计算机连接；
[0010]所述中央处理器、所述高性能计算机与所述TAE频率实时处理器连接；
[0011]所述TAE频率实时处理器与所述显示器连接。
[0012]在上述技术方案中，JET装置的氘氚实验表明，氘氚比与环向阿尔芬本征(TAE)的频率密切相关，通过间接的方法测量相关信息，准确测量燃烧等离子体中环向阿尔芬本征模的频率和准确计算相同条件下氘氘等离子体中TAE频率就可以获取氘氚燃料比。
[0013]利用电子回旋辐射计、微波反射计、米尔诺夫探针、电子回旋辐射成像、干涉仪、动态斯塔克效应谱仪、磁线圈和电荷交换谱仪测量燃烧等离子体频率、位移、模数、电子密度、磁场分布等相关数据，并经由高性能计算机和中央处理器对相关数据的处理得到环向阿尔芬本征的频率、位移矢量和模数。将环向阿尔芬本征的频率、位移矢量和模数输入TAE频率处理器计算氘氘等离子体中TAE频率。通过TAE频率处理器已知的环向阿尔芬本征模的频率和相同条件下氘氘等离子体中TAE频率则可以计算出氘氚燃料比。
[0014]相较于现有技术而言，上述技术方案即使燃烧等离子体处于不均匀分布状态也可以对其整体进行测量，并根据测量数据进行计算得到氘氚燃料比。
[0015]在一种可选实施例中，所述电子回旋辐射计用于测量环向阿尔芬本征模的频率和位移矢量，所述微波反射计用于测量环向阿尔芬本征模的频率和位移矢量，所述米尔诺夫探针用于测量环向阿尔芬本征模的频率和环向模数，所述电子回旋辐射成像用于确定环向阿尔芬本征模的极向模数。
[0016]在一种可选实施例中，所述第一采集器主要用于采集电子回旋辐射计，微波反射计，米尔诺夫探针，电子回旋辐射成像测量的环向阿尔芬本征模的频率、位移矢量、环向模数和极向模数，并将环向阿尔芬本征模的频率、位移矢量、环向模数和极向模数输入中央处理器进行计算和处理。
[0017]在一种可选实施例中，所述干涉仪用于测量燃烧等离子体的电子密度，所述动态斯塔克效应谱仪用于测量最小安全因子并计算安全因子剖面，所述磁线圈主要用于测量燃烧等离子体放电的磁场信息，所述电荷交换谱仪主要用于测量燃烧等离子体的旋转频率信息。
[0018]在一种可选实施例中，所述第二采集器主要用于采集干涉仪，动态斯塔克效应谱仪，磁线圈，电荷交换谱仪的测量信息，并将测量信息输入高性能计算机进行计算和处理。
[0019]在一种可选实施例中，所述TAE频率实时处理器用于比较高性能计算机和中央处理器计算和处理后的数据并计算氘氘等离子体中TAE频率和氘氚燃料比。
[0020]本专利技术第二方面提供了一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的方法，包括通过电子回旋辐射计、微波反射计、米尔诺夫探针和电子回旋辐射成像在等离子体运行中测量环向阿尔芬本征模的测量频率、测量位置矢量和测量模数信息；
[0021]通过干涉仪、动态斯塔克效应谱仪、磁线圈、电荷交换谱仪从等离子体中获取电子密度、安全因子，等离子体电流和旋转频率；
[0022]通过高性能计算机对电子密度、安全因子，等离子体电流和旋转频率进行数值模拟，得到环向阿尔芬本征模的模拟频率、模拟位移矢量和模拟模数；
[0023]将测量频率与模拟频率、测量位置矢量与模拟位置矢量、测量模数信息与模拟模数信息一一进行比对；
[0024]若三组比对数据均吻合，则计算相同条件下氘氘等离子体中TAE频率；
[0025]基于氘氚比与环向阿尔芬本的频率关系，根据氘氘等离子体中TAE频率计算氘氚燃料比。
[0026]在一种可选实施例中，通过电子回旋辐射计在等离子体运行中测量环向阿尔芬本征模的测量频率、测量位置矢量的方法如下：
[0027]在等离子体放电过程中，对电子回旋辐射计采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析找到环向阿尔芬本征模的频率范围，得到环向阿尔芬本征模的测量频率；
[0028]对环向阿尔芬本征模的频率范围进行数值滤波，得到温度扰动；
[0029]根据温度扰动通过进行计算，得到位移矢量ξ；其中，γ＝5/3，为温度梯度，δT
e
为温度扰动量，T
e
为电子温度。
[0030]在一种可选实施例中，通过微波反射计在等离子体运行中测量环向阿尔芬本征模的测量频率、测量位置矢量的方法如下：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统，其特征在于，包括：电子回旋辐射计(1)、微波反射计(2)、米尔诺夫探针(3)、电子回旋辐射成像(4)、第一采集器(5)、中央处理器(6)、干涉仪(7)、动态斯塔克效应谱仪(8)、磁线圈(9)、电荷交换谱仪(10)、第二采集器(11)、高性能计算机(12)和TAE频率实时处理器(13)；所述电子回旋辐射计(1)、所述微波反射计(2)、所述米尔诺夫探针(3)、所述电子回旋辐射成像(4)与所述第一采集器(5)连接；所述第一采集器(5)与所述中央处理器(6)连接；所述干涉仪(7)、所述动态斯塔克效应谱仪(8)、所述磁线圈(9)、所述电荷交换谱仪(10)与所述第二采集器(11)连接；所述第二采集器(11)与所述高性能计算机(12)连接；所述中央处理器(6)、所述高性能计算机(12)与所述TAE频率实时处理器(13)连接。2.根据权利要求1所述的一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统，其特征在于，所述电子回旋辐射计(1)用于测量环向阿尔芬本征模的频率和位移矢量，所述微波反射计(2)用于测量环向阿尔芬本征模的频率和位移矢量，所述米尔诺夫探针(3)用于测量环向阿尔芬本征模的频率和环向模数，所述电子回旋辐射成像(4)用于确定环向阿尔芬本征模的极向模数。3.根据权利要求2所述的一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统，其特征在于，所述第一采集器(5)主要用于采集电子回旋辐射计(1)，微波反射计(2)，米尔诺夫探针(3)，电子回旋辐射成像(4)测量的环向阿尔芬本征模的频率、位移矢量、环向模数和极向模数，并将环向阿尔芬本征模的频率、位移矢量、环向模数和极向模数输入中央处理器(6)进行计算和处理。4.根据权利要求3所述的一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统，其特征在于，所述干涉仪(7)用于测量燃烧等离子体的电子密度，所述动态斯塔克效应谱仪(8)用于测量最小安全因子并计算安全因子剖面，所述磁线圈(9)主要用于测量燃烧等离子体放电的磁场信息，所述电荷交换谱仪(10)主要用于测量燃烧等离子体的旋转频率信息。5.根据权利要求4所述的一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统，其特征在于，所述第二采集器(11)主要用于采集干涉仪(7)，动态斯塔克效应谱仪(8)，磁线圈(9)，电荷交换谱仪(10)的测量信息，并将测量信息输入高性能计算机(12)进行计算和处理。6.根据权利要求5所述的一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统，其特征在于，所述TAE频率实时处理器(13)用于比较高性能计算机(12)和中央处理器(6)计算和处理后的数据并计算氘氘等离子体中TAE频率和氘氚燃料比。7.一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的方法，其特征在于，基于如权利要求1至6任意一项所述的一种用于测量等离子体中氘氚燃料比的系统，包括通过电子回旋辐射计(1)、微波反射计(2)、米尔诺夫探针(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：施培万，陈伟，杨曾辰，石中兵，于利明，段旭如，
申请(专利权)人：核工业西南物理研究院，
类型：发明
国别省市：