本發(fā)明涉及低原子序數(shù)的金屬材料鋰粉在聚變裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，主要涉及一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、磁約束受控核聚變是解決人類能源問(wèn)題的重要途徑之一。隨著聚變裝置加熱功率和放電時(shí)長(zhǎng)的拉長(zhǎng)，等離子體與裝置內(nèi)真空室第一壁材料表面的相互作用越來(lái)越強(qiáng)，由此產(chǎn)生的雜質(zhì)及壁材料損傷嚴(yán)重威脅了聚變裝置的安全運(yùn)行。在高溫等離子體放電中實(shí)時(shí)注入低原子序數(shù)(低z)的金屬鋰粉，可以有效緩解等離子體與第一壁強(qiáng)相互作用，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的第一壁表面壁處理，有助于降低等離子體中的雜質(zhì)水平。同時(shí)可以降低轟擊到第一壁材料上的熱流，有效保護(hù)第一壁材料。所以，低z材料實(shí)時(shí)注入可為磁約束聚變發(fā)展提供新的科學(xué)手段，非常具有應(yīng)用前景，越來(lái)越被聚變界重視。

2、目前國(guó)內(nèi)外主流聚變裝置中都發(fā)展了低z材料實(shí)時(shí)注入系統(tǒng)，如east，diii-d和lhd都發(fā)展了在等離子體放電中實(shí)時(shí)鋰粉注入技術(shù)，有效緩解了等離子體與壁強(qiáng)相互作用，促進(jìn)了等離子體性能的進(jìn)一步提升。國(guó)內(nèi)的全超導(dǎo)托卡馬克east裝置利用金屬鋰粉在長(zhǎng)脈沖放電中的實(shí)時(shí)連續(xù)注入，成功獲得了千秒量級(jí)、芯部溫度超七千萬(wàn)度的穩(wěn)態(tài)高溫等離子體放電。低z金屬鋰粉實(shí)時(shí)注入系統(tǒng)利用一個(gè)壓電陶瓷片接收到特定頻率的正弦電壓后，產(chǎn)生共振效應(yīng)，從而驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片上的金屬鋰粉自由下落，進(jìn)入到等離子體中。鋰粉是一種物理化學(xué)活性極強(qiáng)的堿性金屬，非常容易氧化，在潮濕空氣中存在自燃的風(fēng)險(xiǎn)，因此鋰粉需要在真空環(huán)境下使用。高純金屬鋰粉顏色是銀灰色，在密閉的超高真空不銹鋼腔室內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)，難以以肉眼觀測(cè)，特別是在緊湊型的鋰粉注入器內(nèi)，玻璃觀察窗口僅有16mm大小，觀察難度更大。此外，在聚變裝置放電期間，工作人員無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)觀察注入器中的鋰粉含量，因此亟需發(fā)展一種測(cè)量金屬鋰粉含量的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)注入器中鋰粉含量的多少，為聚變裝置等離子體放電中鋰粉注入實(shí)驗(yàn)提供保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為聚變裝置中的金屬鋰粉系統(tǒng)提供一種測(cè)量鋰粉剩余含量的系統(tǒng)及方法，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬鋰粉含量的需求，為托卡馬克長(zhǎng)脈沖等離子體放電中金屬鋰粉穩(wěn)定注入提供硬件保障。

2、本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的系統(tǒng)，包括粉末腔室、真空腔室和測(cè)量電路；

4、所述粉末腔室設(shè)置于所述真空腔室內(nèi)，所述粉末腔室內(nèi)裝載有金屬鋰粉，所述粉末腔室底部設(shè)置有具通孔的環(huán)形壓電陶瓷共振片，用于控制金屬鋰粉震動(dòng)，實(shí)現(xiàn)金屬鋰粉下落，所述粉末腔室內(nèi)距離底部一段距離（0.5-1cm左右的位置）處設(shè)置有一條標(biāo)定線；

5、所述真空腔室側(cè)壁設(shè)置有真空電極饋入法蘭，用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的通過(guò)；

6、所述測(cè)量電路包括連接形成回路的連接線a、連接線b、連接線c、連接線d和常開(kāi)式微歐表；所述連接線a一端下垂至所述粉末腔室的標(biāo)定線處，另一端于所述真空電極饋入法蘭處與所述連接線c連接；所述連接線b一端與粉末腔室外壁連接，另一端于所述真空電極饋入法蘭處與所述連接線d連接；所述連接線c一端于所述真空電極饋入法蘭處與所述連接線a連接，另一端與常開(kāi)式微歐表連接；所述連接線d一端于所述真空電極饋入法蘭處與所述連接線b連接，另一端與常開(kāi)式微歐表連接。

7、進(jìn)一步的，所述的金屬鋰粉的的純度>99.9%，粉末直徑~44μm，密度0.353?g/cm3，熔點(diǎn)180.5℃，其電阻率為8.6?μω·cm。利用金屬鋰粉本身自帶的導(dǎo)電性能，構(gòu)建一個(gè)連通的回路，當(dāng)金屬鋰粉末消耗至標(biāo)定線位置時(shí)，回路斷開(kāi)。

8、進(jìn)一步的，所述的粉末腔室為裝載金屬鋰粉的不銹鋼腔室，其直徑73mm，高80mm圓柱形腔室，腔室頂部環(huán)向均勻排布4個(gè)直徑16mm的圓孔，用于向腔室內(nèi)裝載金屬鋰粉。

9、進(jìn)一步的，所述的真空腔室為直徑100mm，高150mm圓柱形腔室。腔室頂部安裝有兩個(gè)直徑16mm的玻璃觀察窗，用于觀察粉末狀態(tài)。

10、進(jìn)一步的，腔室側(cè)壁上開(kāi)設(shè)一個(gè)直徑16mm的真空抽氣口實(shí)現(xiàn)真空抽氣。

11、進(jìn)一步的，所述的真空電極饋口法蘭為直徑35mm的刀口密封法蘭，漏率<1.0×10-10?pa·m3/s，滿足真空腔室超高真空的需求。

12、進(jìn)一步的，所述的常開(kāi)式微歐表測(cè)量精度為0.1μω，量程為0-1mω。

13、一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的方法，如下所述：利用金屬鋰粉本身自帶的導(dǎo)電性能，使金屬鋰粉、粉末腔室和位于真空腔室外的常開(kāi)式微歐表形成連通的回路，當(dāng)金屬鋰粉末消耗至標(biāo)定線位置時(shí)，回路斷開(kāi)，通過(guò)位于真空腔室外的常開(kāi)式微歐表上的電阻值判定粉末腔室內(nèi)的金屬鋰粉含量有沒(méi)有下降至標(biāo)定位置。

14、有益效果：

15、本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效地測(cè)量真空粉末腔室內(nèi)金屬鋰粉含量的測(cè)量系統(tǒng)，可以有效判定真空粉末腔室內(nèi)金屬鋰粉的含量，為聚變裝置開(kāi)展金屬鋰粉實(shí)時(shí)注入提供穩(wěn)定可靠的粉末監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決金屬鋰粉在真空腔室內(nèi)難以監(jiān)測(cè)其含量的難題。

技術(shù)特征：

1.一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的系統(tǒng)，其特征在于：包括粉末腔室、真空腔室和測(cè)量電路；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的系統(tǒng)，其特征在于：所述的金屬鋰粉的的純度>99.9%，粉末直徑~44μm，密度0.353?g/cm3，熔點(diǎn)180.5℃，其電阻率為8.6?μω·cm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的系統(tǒng)，其特征在于：所述的粉末腔室為裝載金屬鋰粉的不銹鋼腔室，其直徑73mm，高80mm圓柱形腔室，腔室頂部環(huán)向均勻排布4個(gè)直徑16mm的圓孔，用于向腔室內(nèi)裝載金屬鋰粉。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的系統(tǒng)，其特征在于：所述的真空腔室為直徑100mm，高150mm圓柱形腔室，腔室頂部安裝有兩個(gè)直徑16mm的玻璃觀察窗，用于觀察金屬鋰粉狀態(tài)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的系統(tǒng)，其特征在于：腔室側(cè)壁上開(kāi)設(shè)一個(gè)直徑16mm的真空抽氣口實(shí)現(xiàn)真空抽氣。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的系統(tǒng)，其特征在于：所述的真空電極饋口法蘭為直徑35mm的刀口密封法蘭，漏率<1.0×10-10?pa·m3/s。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的系統(tǒng)，其特征在于：所述的常開(kāi)式微歐表測(cè)量精度為0.1μω，量程為0-1mω。

8.一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的方法，其特征在于：利用金屬鋰粉本身自帶的導(dǎo)電性能，使金屬鋰粉、粉末腔室和位于真空腔室外的常開(kāi)式微歐表形成連通的回路，當(dāng)金屬鋰粉末消耗至標(biāo)定線位置時(shí)，回路斷開(kāi)，通過(guò)位于真空腔室外的常開(kāi)式微歐表上的電阻值判定粉末腔室內(nèi)的金屬鋰粉含量有沒(méi)有下降至標(biāo)定位置。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于聚變裝置中測(cè)量金屬鋰粉含量的系統(tǒng)及方法，包括有金屬鋰粉、粉末腔室、真空腔室、真空電極饋入法蘭、常開(kāi)式微歐表、連接線。本發(fā)明利用插入金屬鋰粉中的連接線將鋰粉與真空室外的常開(kāi)式微歐表形成一個(gè)閉合的回路，隨著金屬鋰粉在聚變裝置中的使用，其含量逐漸減少，當(dāng)粉末腔室中的金屬鋰粉高度低于插入粉末中的連接線時(shí)，該回路由閉合狀態(tài)變?yōu)閿嚅_(kāi)狀態(tài)，常開(kāi)式微歐表顯示電阻無(wú)限大，表明粉末腔室內(nèi)部鋰粉已耗盡，解決了聚變裝置粉末系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬鋰粉含量的難題，以滿足聚變裝置等離子體放電過(guò)程中對(duì)金屬鋰粉控制邊界粒子的需求。

技術(shù)研發(fā)人員：徐偉,汪哲,孫震,孟獻(xiàn)才,黃明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院（安徽省能源實(shí)驗(yàn)室）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6