等離子體破裂防護(hù)快速充氣閥性能研究

2013-04-24 莊會(huì)東中科院等離子體物理研究所

　　托卡馬克裝置在放電過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生破裂現(xiàn)象。破裂會(huì)對(duì)裝置造成很大的危害。為了滿足在實(shí)驗(yàn)先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克( EAST) 裝置上開展高壓氣體注入來(lái)緩解等離子體破裂研究的需求, 基于渦流驅(qū)動(dòng)的等離子體破裂防護(hù)快速充氣閥已經(jīng)在中科院等離子體物理研究所研制成功, 該閥的成功研制為在EAST 上面開展高壓氣體注入來(lái)緩解等離子體破裂研究提供了有效的工具。為了更加精確地測(cè)量快閥的響應(yīng)時(shí)間并對(duì)其流量進(jìn)行標(biāo)定, 搭建了基于磁柵尺的測(cè)試平臺(tái)來(lái)測(cè)量快閥的響應(yīng)時(shí)間, 并編寫了相應(yīng)的測(cè)試程序, 測(cè)試結(jié)果表明快閥得到觸發(fā)信號(hào)后在0.5 ms 時(shí)間內(nèi)就可以開啟, 其流量可以從0~ 70000PaL 之間方便進(jìn)行調(diào)節(jié), 其響應(yīng)時(shí)間及流量完全可以滿足等離子體破裂防護(hù)對(duì)充氣系統(tǒng)的要求。

　　核聚變是解決人類能源危機(jī)問(wèn)題的一勞永逸的方法, 托卡馬克( TOKAMAK) 是目前最有可能實(shí)現(xiàn)核聚變能利用的裝置, 在托卡馬克等離子體放電過(guò)程中, 由于磁流體不穩(wěn)定性等原因, 破裂事件經(jīng)常發(fā)生, 等離子體破裂會(huì)使裝置第一壁及其他結(jié)構(gòu)遭受局部超熱負(fù)載、強(qiáng)電磁力作用、高能逃逸電子等三大危害, 因此等離子體破裂的避免及緩解已經(jīng)成為目前托卡馬克研究中的一個(gè)重要的研究方向。研究發(fā)現(xiàn), 在熱淬滅之前向等離子體內(nèi)部注入一定量的雜質(zhì)氣體( 主要是惰性氣體) 可以很大程度上緩解由于破裂所帶來(lái)的各種危害。基于渦流驅(qū)動(dòng)的快速充氣閥首先在TEXTOR 裝置上研制成功, 其性能完全可以滿足等離子體破裂防護(hù)的需求。為了方便在實(shí)驗(yàn)先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克( EAST) 裝置上開展高壓氣體注入( Massive Gas Injection, MGI) 實(shí)驗(yàn)來(lái)緩解等離子體破裂的研究, 中科院等離子體物理研究所也成功研制了與TEXTOR 裝置類似的靠渦流驅(qū)動(dòng)的、不受磁場(chǎng)干擾的快速充氣閥, 目前該閥已經(jīng)成功地應(yīng)用于上輪的EAST 試驗(yàn)中, 取得了理想的效果。為了更精確地研究該閥的性能, 采用了一種非接觸式的位移測(cè)量工具- 磁柵尺來(lái)進(jìn)行快閥響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量, 并編寫了相應(yīng)的采集程序使數(shù)據(jù)采集更加的精確、方便; 同時(shí)為了標(biāo)定快閥的流量與電壓及氣壓的關(guān)系, 搭建了一套快閥充氣量標(biāo)定平臺(tái), 對(duì)快閥的流量進(jìn)行了精確的標(biāo)定。

快閥

　　根據(jù)電磁感應(yīng)的原理, 當(dāng)線圈中有變化電流通過(guò)時(shí), 線圈周圍的導(dǎo)體就會(huì)有電磁力的作用, 基于該原理, 本文研制成功了一種脈沖式快速充氣閥, 其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

快閥的結(jié)構(gòu)

圖1 快閥的結(jié)構(gòu)

　　該閥體分為兩個(gè)腔室: 工作腔室及被壓腔室, 兩個(gè)腔室中都充滿高壓氣體, 根據(jù)不同的工作要求, 氣壓可以方便調(diào)節(jié), 其閥芯部分為圖中所示的鋁制工字型閥芯, 在閥芯底部有一平板螺旋線圈, 在初始時(shí), 在腔室氣壓的作用下, 閥處于關(guān)閉狀態(tài), 當(dāng)有強(qiáng)脈沖電流通過(guò)平板螺旋線圈時(shí), 根據(jù)電磁感應(yīng)原理,鋁制閥芯就會(huì)受到一個(gè)強(qiáng)脈沖電磁斥力, 該電磁力可以達(dá)到幾千牛頓, 足以克服氣體的壓力把閥芯打開, 由于該力為脈沖力, 因此, 當(dāng)該力消失后, 閥芯就會(huì)在被壓氣體的壓力作用下回到初始狀態(tài), 完成一次脈沖充氣。

　　該閥有以下優(yōu)點(diǎn):：響應(yīng)時(shí)間快, 由于脈沖電磁力可以達(dá)到幾千牛頓以上, 因此閥開啟速度非常快;流量大; 不受磁場(chǎng)干擾, 由于閥芯為鋁材料制成, 鋁是一種非鐵磁性材料, 在強(qiáng)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)及緩慢變化的磁場(chǎng)中不會(huì)受影響, 因此該閥非常合適在托卡馬克環(huán)境中工作。

測(cè)試結(jié)果

　　應(yīng)用磁柵尺測(cè)得的快閥開關(guān)特性曲線如圖6 所示, 0 時(shí)刻為快閥的觸發(fā)時(shí)刻, 從該圖上可以看出,快閥得到觸發(fā)后, 大約0.5 ms 后, 閥芯開始運(yùn)動(dòng), 也就是說(shuō)快閥的響應(yīng)時(shí)間為0.5ms, 過(guò)了大約9 ms, 閥芯運(yùn)動(dòng)的最大距離, 整個(gè)工作時(shí)間為17 ms 左右, 改變閥芯不同的背部壓力來(lái)進(jìn)行測(cè)量, 閥芯的響應(yīng)時(shí)間也在0.5 ms 左右, 閥芯所受被壓的改變只是改變了閥芯的最大行程及整個(gè)過(guò)程持續(xù)的時(shí)間, 從而改變了快閥的流量。從響應(yīng)時(shí)間整個(gè)指標(biāo)來(lái)看, 該快閥完全可以滿足破裂防護(hù)對(duì)充氣系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的要求。

快閥的開關(guān)特性曲線

圖6 快閥的開關(guān)特性曲線

　　快閥的流量與工作電壓及工作氣壓的關(guān)系曲線如圖7 所示, 從圖中可以看出, 在相同的電壓條件下, 改變氣壓值, 獲得的曲線形式是類似的, 通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓及電壓, 快閥的單脈沖充氣量可以從1~70000 PaL 之間進(jìn)行調(diào)節(jié), 完全可以滿足EAST 裝置上開展等離子體破裂緩解實(shí)驗(yàn)對(duì)氣量的要求。雖然電源設(shè)計(jì)指標(biāo)為5000 V, 但為了安全考慮, 電壓只加到4000 V 左右。

快閥的流量與電壓及氣壓的關(guān)系