出口內(nèi)置式等離子體破裂防護(hù)快速充氣閥的研制
為了進(jìn)一步縮短閥門的充氣時(shí)間，在外置式快閥成功研制的基礎(chǔ)上，中科院等離子體物理研究所又成功研制出了出口安裝在裝置內(nèi)部的快速充氣閥，該閥在保留外置式快閥快響應(yīng)、大流量?jī)?yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，把閥門氣體出口位置設(shè)計(jì)為可安裝到裝置內(nèi)部，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面避免了由于采用管道而導(dǎo)致的時(shí)間延遲，縮短了充氣時(shí)間，另外一方面也提高了出口氣體的壓力，更有利于等離子體破裂緩解。該閥的成功研制不僅為先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克裝置開(kāi)展等離子體破裂緩解研究提供了有效的工具，也使實(shí)時(shí)的等離子體破裂緩解成為了可能，更為未來(lái)大中型托卡馬克裝置開(kāi)展類似的研究提供了有益的借鑒。
托卡馬克裝置是人類目前最可能實(shí)現(xiàn)核聚變能發(fā)電的裝置。在托卡馬克裝置放電過(guò)程中，由于等離子體不穩(wěn)定性等原因，經(jīng)常會(huì)發(fā)生放電突然終止的事件，也就是所謂的等離子體破裂；破裂會(huì)對(duì)托卡馬克裝置造成很大的危害，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：裝置壁局部遭受很強(qiáng)的熱負(fù)載；在電流猝滅階段，尤其是發(fā)生垂直不穩(wěn)定性時(shí)，裝置壁及其支撐機(jī)構(gòu)將遭受很強(qiáng)的電磁力負(fù)載；等離子體破裂發(fā)生時(shí)，在環(huán)向會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的環(huán)向電壓，該電壓會(huì)加速部分電子成為高能超熱電子，該高能電子逃脫磁場(chǎng)束縛會(huì)損失到壁上去，對(duì)壁造成很大的破壞；另外破裂發(fā)生時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的等離子體與壁強(qiáng)相互作用而給裝置真空室引入大量的難以清除的雜質(zhì)粒子,會(huì)影響后續(xù)放電的正常進(jìn)行。先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克(EAST) 是世界上第一個(gè)非圓界面全超導(dǎo)托卡馬克裝置，它與國(guó)際熱核聚變堆(ITER) 有著相似的磁位型結(jié)構(gòu)，因此在其上開(kāi)展等離子體破裂緩解研究不僅對(duì)EAST 的安全運(yùn)行至關(guān)重要，而且對(duì)IIER開(kāi)展類似的研究有著借鑒意義。
研究發(fā)現(xiàn)，如果在等離子體破裂前迅速向裝置內(nèi)部注入一定量的雜質(zhì)氣體，則破裂帶來(lái)的危害將會(huì)得到很大程度的緩解，從而對(duì)裝置起到保護(hù)作用。為了滿足在EAST 上開(kāi)展高壓氣體注入對(duì)等離子體破裂影響的研究需求，靠渦流驅(qū)動(dòng)的快速充氣閥已經(jīng)在中科院等離子體物理研究所研制成功[ 8] 。并且該閥已經(jīng)成功的應(yīng)用到EAST及HT-7(Hefei Tokamak-7) 破裂緩解實(shí)驗(yàn)研究中。為了進(jìn)一步縮短充氣時(shí)間，在該閥成功研制的基礎(chǔ)上，把快閥設(shè)計(jì)成出口可以安裝到裝置內(nèi)部，該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅大大縮短了快閥的充氣時(shí)間，而且還提高了快閥出口氣體的壓力，更有利于等離子體破裂緩解。
1、出口內(nèi)置式渦流驅(qū)動(dòng)快閥原理及結(jié)構(gòu)介紹
1.1、出口內(nèi)置式快閥研制背景介紹
開(kāi)展等離子體破裂緩解的前提是及時(shí)準(zhǔn)確的等離子體破裂預(yù)測(cè)，但是由于等離子體破裂原因非常復(fù)雜，因此等離子體破裂預(yù)測(cè)是一件非常困難的事情,雖然絕大多數(shù)托卡馬克裝置都進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究，也取得不錯(cuò)的研究成果，但是破裂預(yù)測(cè)提前量依然不是很大，因此，要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的等離子體破裂緩解，必須有快速充氣能力的充氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)要能在破裂預(yù)測(cè)提前量的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)即將破裂的等離子體充氣,這樣，充入的氣體才能起到破裂緩解的效果。
為了滿足在EAST上開(kāi)展高壓氣體注入來(lái)緩解等離子體破裂研究的需求，靠渦流驅(qū)動(dòng)的快速充氣閥已經(jīng)在中科院等離子體物理研究所研制成功，該閥是靠渦流電磁力驅(qū)動(dòng)的，其主要核心部件是一個(gè)類似/ 蚊香0結(jié)構(gòu)的平板螺旋線圈。當(dāng)一個(gè)強(qiáng)脈沖電流通過(guò)線圈時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可以得知，線圈上面的/工字型鋁制閥芯就會(huì)受到一個(gè)強(qiáng)電磁力( 遠(yuǎn)大于閥芯的密封力) ，閥芯就會(huì)被彈開(kāi)，工作腔室內(nèi)部的氣體就會(huì)從快閥出口進(jìn)入到托卡馬克裝置內(nèi)部。由于該電流是脈沖電流，因此，閥芯所受的力也為脈沖電磁力，所以當(dāng)該電流消失后,電磁力隨之消失，此時(shí)閥芯就會(huì)在腔室氣體壓力的作用下，回到初始位置，完成一次脈沖充氣。其結(jié)構(gòu)及原理如圖1 所示。
圖1 快閥結(jié)構(gòu)及閥芯所受電磁力分析
1.2、外置式快閥在等離子破裂緩解中的初步應(yīng)用
在2012 的EAST 春季實(shí)驗(yàn)中，利用該閥進(jìn)行了充氣實(shí)驗(yàn)研究，所有的實(shí)驗(yàn)均是向穩(wěn)態(tài)放電的等離子體中注入一定量的惰性氣體，研究充入氣體對(duì)等離子體參數(shù)的影響。等離子體參數(shù)為: 偏濾器位型歐姆放電及低雜波放電，磁場(chǎng)Bt= 2.0 T，等離子電流I p= 400 kA，電子密度ne= 2.0 × 1019/ m3�？扉y安裝示意圖如圖2 所示，采用一個(gè)長(zhǎng)度約1.8 m，內(nèi)徑為16 mm 的管道與快閥出口相連接，管道出口直接伸到裝置內(nèi)部限制器位置，并指向等離子體中心位置。
圖2 外置式快閥與裝置連接圖
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注入的氣體只能進(jìn)入到等離子體邊界區(qū)域，這可以從XUV 輻射分布圖上可以得到，如圖3 所示，這主要是由于注入的中性氣體在等離子體邊界區(qū)域就被電離成離子而隨磁力線沿著邊界的磁面運(yùn)動(dòng)，很難進(jìn)入到等離子體芯部。
雖然注入的中性氣體很難進(jìn)入到等離子體芯部，但是，通過(guò)氣體的注入，可以很大程度上提高熱輻射強(qiáng)度，如圖4 所示，為自然破裂和由于充氣而導(dǎo)致破裂的比較，由數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)比與自然破裂的情況，充氣后最大輻射強(qiáng)度從5 變?yōu)?0，輻射強(qiáng)度變?yōu)樵瓉?lái)的四倍，在電流猝滅前等離子體溫度已經(jīng)從500 降低為100 eV，從而降低了等離子體溫度，此時(shí)的等離子體如果撞到壁上去，則其對(duì)壁的破壞性將大為減小。
總結(jié)
內(nèi)置式快閥在外置式快閥成功研制的基礎(chǔ)上基本研制成功，經(jīng)平臺(tái)測(cè)試，其響應(yīng)時(shí)間比外置式快閥稍長(zhǎng)，但是也小于1 ms，這主要是由于采用了較長(zhǎng)的閥芯結(jié)構(gòu)而造成的，長(zhǎng)閥芯結(jié)構(gòu)同時(shí)也導(dǎo)致了需要很大的電磁力才能開(kāi)啟，這就需要更大容量的高壓脈沖電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)快速的開(kāi)啟。在外置式快閥脈沖電路的基礎(chǔ)上，我們把其高壓脈沖電容器提高到原來(lái)的10 倍，這樣，在相同的電壓條件下，電容器儲(chǔ)能及電磁力都將變?yōu)樵瓉?lái)的10 倍。經(jīng)平臺(tái)測(cè)定其響應(yīng)時(shí)間小于1 ms；另外，由于采用強(qiáng)彈簧壓力來(lái)提供預(yù)應(yīng)力，因此，該閥不僅可以實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)啟，而且還可以實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉，也就是充氣脈寬短( 不大于5ms) ，這對(duì)破裂緩解時(shí)非常有利的，因?yàn)槠屏丫徑獾囊笫窃谄屏亚俺淙胍欢康臍怏w，如果有部分氣體在破裂后再充入，則此時(shí)充入的氣體可能會(huì)對(duì)裝置產(chǎn)生破壞作用；該閥的最大充氣量則可以達(dá)到50000 Pa#L，這樣，其響應(yīng)時(shí)間及流量都可以滿足EAST 超導(dǎo)托卡馬克裝置對(duì)破裂防護(hù)系統(tǒng)的要求。
該閥的成功研制，為在EAST 超導(dǎo)托卡馬克裝置上開(kāi)展實(shí)時(shí)的等離子體破裂緩解實(shí)驗(yàn)提供了有效的工具，其實(shí)際功能將在下一輪的EAST 實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)。該閥的成功研制同時(shí)也為以后大中型托卡馬克裝置( 例如ITER) 開(kāi)展這方面的研究提供了有益的借鑒。
