EAST彈丸注入系統及其工程調試
超導托卡馬克(EAST)彈丸注入系統能夠連續制備和發(fā)射多顆彈丸，其能夠在連續100s的彈丸發(fā)射過(guò)程中保證可靠性大于99.6%。彈丸形狀為直徑2mm，長(cháng)度2mm的圓柱體，注入頻率1~10Hz，注入速度150~300m/s可調。目前，彈丸注入系統已經(jīng)安裝在EAST裝置上，經(jīng)過(guò)臺面測試和聯(lián)機調試，證明系統性能可靠。本文主要介紹了彈丸注入系統的組成、原理、調試以及相關(guān)彈丸注入等離子體改變其行為的實(shí)驗結果。
彈丸注入是等離子體加料的主要手段之一。與普通充氣加料方式相比，彈丸注入加料具有更高的加料效率和更深的燃料粒子沉積，可以獲得更加純凈的等離子體。同時(shí)，彈丸注入還可以改善等離子體的性能。如提高等離子體密度；降低粒子在器壁的滯留，改善邊界再循環(huán)，提高等離子體約束性能；改變高約束模(H模)等離子體放電的邊界局域模的行為，改善H模等離子體放電性能，降低第一壁熱負荷。EAST自2006年建成投入實(shí)驗以來(lái)參數不斷提高，更于2010年分別實(shí)現了大于60多倍能量約束時(shí)間高約束模式(H模)等離子體放電，100s 1500萬(wàn)度偏濾器長(cháng)脈沖等離子體放電，最高等離子體平均電流達1MA。為滿(mǎn)足EAST高參數、長(cháng)脈沖等離子體運行要求，中科院等離子體所與俄羅斯培林實(shí)驗室(PELIN Laboratory Ltd.)合作研制了一套彈丸注入系統，工程調試獲得了良好結果，并已在本輪物理實(shí)驗中投入使用。
1、彈丸注入系統的構成和工作原理
EAST彈丸注入系統主要由以下子系統組成：擠壓制冰器系統，丸料氣體和推進(jìn)氣體的供氣系統，真空擴散系統，液氦冷卻系統，診斷系統(彈丸速度測量等)和自動(dòng)控制系統。彈丸注入系統的結構概貌如圖1所示。
圖1 EAST彈丸注入系統示意圖
擠壓制冰器系統是由俄羅斯培林實(shí)驗室研制的。其主要由真空室、擠壓桿、擠壓驅動(dòng)器、彈丸切割器、快速電磁閥、液氦蒸汽調節閥和壓力和溫度傳感器等構成。其優(yōu)點(diǎn)是可以根據實(shí)驗要求，實(shí)現單發(fā)彈丸注入和連續多發(fā)彈丸注入的快速切換，成冰質(zhì)量高，切割成型時(shí)彈丸完整性好。圖2給出了擠壓制冰器的結構示意圖。
圖2 擠壓制冰器結構示意圖
真空擴散系統的主要目的是抽出彈丸推進(jìn)氣體氦氣，防止其進(jìn)入裝置，引入雜質(zhì)和影響裝置真空度。采用二級擴散，第一、二級擴散室體積為15.7L，緩沖室體積為355L，一級擴散和二級擴散的主泵為抽速為1200L/s的FF-200分子泵；彈丸制備器本身的真空熱絕緣維持采用抽速為100L/s的抽氣機組；同時(shí)為了有效抽除連續制冰和發(fā)射彈丸過(guò)程中產(chǎn)生的大量廢冰和廢氣，與擠壓切割器連接一個(gè)100L的緩沖罐并配備一干泵機組抽氣。經(jīng)過(guò)理論計算，穩態(tài)運行下二級擴散室真空不高于1.67×10-4 Pa的壓強，這樣的氣壓再經(jīng)過(guò)管道與裝置相連，基本可以忽略對裝置真空的影響。
EAST彈丸注入器制冰過(guò)程中需要提供一定流量(15L/s)及溫度的液氦蒸汽用于冷卻加料氣體，且蒸汽絕對壓力不可高于0.13MPa。為實(shí)驗期間系統的穩定可靠運行，采用從低溫系統引入液氦在注入器入口出將其加熱氣化到指定溫度及壓力以便制冰使用。液氦供給系統的示意圖如圖3所示。液氦管道從內置低溫泵分配閥箱引致EAST裝置水平A窗口下方。在注入器入口處布置一段加熱絲(最大加熱功率45W)、熱電偶和壓力傳感器，并通過(guò)PID儀表反饋調節，保證進(jìn)入注入器的液氦蒸汽溫度大于5K，壓力不高于0.15MPa。實(shí)驗中，降溫過(guò)程中液氦消耗量約為0.7g/s，降溫到位時(shí)間約為2.5h。
圖3 彈丸注入器液氦供給示意圖
擠壓制冰器的工作原理：首先將制冰器系統抽真空，然后啟動(dòng)液氦冷卻系統對制冰器進(jìn)行降溫，至成冰溫度后，從供氣系統將燃料氣體引入冷凝池并被液氦冷卻成霜，擠壓桿在步進(jìn)電機的旋轉下將燃料氣體擠壓成冰從底部直徑2mm的管道推出，與冰柱垂直的切割器包含一個(gè)直徑2mm的薄壁圓管，在電磁力的作用下水平運動(dòng)并切割冰柱形成直徑長(cháng)度均為2mm的彈丸。成冰之后切割器尾部的快閥快速打開(kāi)高壓氣涌入管道中加速彈丸從出口飛出進(jìn)入真空擴散室和診斷室。
2、系統調試
2.1、臺面測試
彈丸注入系統臺面測試的主要目的是系統設計相關(guān)參數的檢驗，以及不同速度與頻率下彈丸注入器穩定性的測試。聯(lián)機調試的主要目的是測試彈丸在高場(chǎng)和低場(chǎng)注入時(shí)的可靠性。臺面測試和聯(lián)機調試的燃料氣體為氘氣，壓力0.4~0.5MPa，推進(jìn)氣體為純度為99.99%的氦氣，壓力0.2~0.3MPa。測試中，使用液氦杜瓦供給液氦并采用加熱絲加熱液氦獲得液氦蒸汽，冷卻燃料氣體。
測試之前，對整個(gè)系統進(jìn)行常規檢查，如切割機能否正常工作。然后按照操作規范啟動(dòng)泵組，擠壓制冰器真空室的真空度應小于1Pa，擴散室真空度應低于5×10-3 Pa。之后，打開(kāi)制冰器的所有電子單元和PLC邏輯控制器，打開(kāi)工業(yè)計算機，啟動(dòng)控制程序。打開(kāi)燃料氣體和推進(jìn)氣體氣源，將供氣系統管路抽空，分別用燃料氣體和推進(jìn)氣體置換相應的送氣管路，保持管路的純凈。連接液氦杜瓦，
并用加熱絲對其進(jìn)行加熱，開(kāi)始加熱參數設置為I=1.60A，V=20V，液氦蒸汽進(jìn)入制冰器開(kāi)始冷卻燃料氣體，在此過(guò)程中每15min記錄溫度和真空度等參數。觀(guān)察控制界面溫度參數的變化，當液化器溫度Tl小于20K和擠壓機溫度TE小于12K，即可開(kāi)始制丸，在控制界面上設置推進(jìn)氣體壓力、注入頻率、擠壓機的轉速等參數，按下stand by empty，開(kāi)始填料，大概15min后，進(jìn)氣閥門(mén)關(guān)閉，進(jìn)入stand by full狀態(tài)，擠壓器開(kāi)始工作，1~2min后，可在觀(guān)察窗看到/冰柱0的出現，如圖4所示。擠壓過(guò)程結束之后，通過(guò)控制界面的continuous or single按鈕可以開(kāi)始發(fā)射彈丸。圖5給出的是在設定參數為注入頻率10Hz，注入速度300m/s的情況下連續100s發(fā)射彈丸的情況下拍攝到的一組彈丸照片，其可靠性為100%。
圖4 CCD相機觀(guān)察到的冰柱
圖5 連續100s發(fā)射彈丸
2.2、聯(lián)機調試
聯(lián)機調試的主要目的是測試彈丸發(fā)射以后，通過(guò)傳輸管道進(jìn)入EAST裝置的穩定性和可靠性。其中，低場(chǎng)側注入管道長(cháng)約4.5m，高場(chǎng)側注入管道長(cháng)約9.5m。前期準備工作與成冰過(guò)程與臺面測試大致相同。為了監測彈丸能否通過(guò)傳輸管道進(jìn)入裝置，在高場(chǎng)和低場(chǎng)注入的管道處連接了鋁箔，通過(guò)觀(guān)察彈丸發(fā)射后鋁箔的變形情況進(jìn)行判斷。圖6給出了聯(lián)機調試的測試結果。
圖6(a)裝置內高場(chǎng)注入管道末端與鋁箔連接；(b)彈丸注入后，低場(chǎng)側鋁箔被彈丸擊穿；(c)彈丸注入后，高場(chǎng)側鋁箔被彈丸擊穿
3、彈丸注入對等離子行為影響實(shí)驗
2012年EAST春季實(shí)驗，分別進(jìn)行了低場(chǎng)和高場(chǎng)的彈丸單發(fā)和多發(fā)注入實(shí)驗。彈丸注入后，引起了等離子體參數一系列變化。最明顯的變化是等離子體密度上升，Ha線(xiàn)輻射增強，CIII和OII等雜質(zhì)輻射也增強，電子溫度降低以及軟X射線(xiàn)輻射強度降低等。圖7(高場(chǎng)注入單發(fā)彈丸)和圖8(低場(chǎng)連續注入9發(fā)彈丸)分別給出了相關(guān)的實(shí)驗結果。
圖738098炮，3s注入彈丸后的放電曲線(xiàn)
圖841878炮，315s開(kāi)始連續注入9發(fā)彈丸Ha變化剖面圖
4、總結
EAST彈丸注入系統經(jīng)過(guò)臺面實(shí)驗和工程調試，成功制出高質(zhì)量的氘冰柱并切割、發(fā)射了氘彈丸，最高發(fā)射頻率達10Hz。在長(cháng)時(shí)間連續工作的情況下仍能保證很高的穩定性。EAST彈丸注入系統分別首次實(shí)現了從低場(chǎng)和高場(chǎng)的彈丸注入等離子體，并取得了一些初步實(shí)驗結果。這些都表明了EAST彈丸注入系統很好地完成了設計目標。同時(shí)，在實(shí)驗中也發(fā)現了一些問(wèn)題，如連續100s注入彈丸時(shí)將產(chǎn)生過(guò)多的廢冰和廢氣；以及速度較快的彈丸經(jīng)過(guò)長(cháng)距離的傳輸管道破損和消融問(wèn)題。下一步計劃是針對這些不足之處進(jìn)行改進(jìn)和完善，為彈丸注入系統進(jìn)一步參與物理實(shí)驗提供更好的平臺。
