超声分子束注入用全金属阀门研发

需求的背景和应用场景

在聚变能研究领域，分子束注入技术是一项关键的技术手段，用于实现聚变反应中的燃料供给与等离子体控制。特别是在面向未来聚变堆的应用中，分子束注入阀门作为该技术的核心组件之一，其性能直接关系到聚变反应的稳定性与效率。然而，当前传统的分子束注入阀门在金属密封及磁场下驱动结构方面存在明显短板，难以满足聚变堆极端环境下的高要求。具体表现为：密封性能不足导致燃料泄漏，影响聚变效率；驱动结构在强磁场下响应速度慢、稳定性差，限制了分子束的精确控制。因此，研发一种全金属密封、毫秒级快响应的超声分子束脉冲阀门，对于提升聚变堆的性能与稳定性具有重要意义。该阀门将应用于聚变堆中的燃料供给系统，确保在强磁场、高粒子冲击等极端条件下，实现分子束的高效、稳定注入。

要解决的关键技术问题

1. 全金属快响应阀门一体化设计方法：针对聚变堆环境下的特殊要求，需要建立一种耦合电磁-流体-结构-热的多物理场一体化设计方法。该方法需能够综合考虑阀门在强磁场、高粒子冲击、高温等复杂环境下的性能表现，为阀门的结构设计提供理论支撑。
2. 金属密封结构设计：研究金属密封结构在3 MPa压力、10²³ s⁻¹粒子冲击下的密封性能与漏率规律。通过理论分析与实验验证，优化密封结构设计，确保阀门在极端条件下的密封可靠性。
3. 金属密封电磁驱动机构研制：开发一种能够在3 ms内完成开/关动作，且能够连续以10 Hz频率运行的金属密封电磁驱动机构。该机构需具备高响应速度、高稳定性、高耐久性等特点，以满足聚变堆对分子束注入的精确控制要求。
4. 阀门寿命预测与可靠性评估：构建一套完善的阀门寿命预测与可靠性评估方案。通过模拟仿真与实验测试，对阀门进行10000次以上循环的寿命预测与可靠性评估，确保阀门在长期运行中的稳定性与可靠性。

效果要求

本项目旨在研发出符合聚变堆使用要求的全金属密封方式的超声分子束脉冲阀门原型件。该阀门应具有以下显著效果：

• 高性能密封：在3 MPa压力、10²³ s⁻¹粒子冲击下，实现零泄漏或极低泄漏率，确保聚变反应的稳定性与效率。
• 毫秒级快响应：阀门开/关时间不超过3 ms，且能够连续以10 Hz频率稳定运行，满足聚变堆对分子束注入的精确控制需求。
• 高可靠性与长寿命：通过10000次以上循环的寿命预测与可靠性评估，确保阀门在长期运行中的稳定性与可靠性，降低维护成本。
• 创新性：本项目所研发的全金属密封超声分子束脉冲阀门，将填补国内在聚变堆分子束注入阀门领域的空白，为聚变能技术的发展提供有力支撑。同时，该阀门的研发也将推动相关领域的技术进步与创新发展。