出口內置式等離子體破裂防護快速充氣閥的研制

　　為了進(jìn)一步縮短閥門(mén)的充氣時(shí)間，在外置式快閥成功研制的基礎上，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部的快速充氣閥，該閥在保留外置式快閥快響應、大流量?jì)?yōu)點(diǎn)的基礎上，把閥門(mén)氣體出口位置設計為可安裝到裝置內部，這種結構設計一方面避免了由于采用管道而導致的時(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(lèi)似的研究提供了有益的借鑒。

　　托卡馬克裝置是人類(lèi)目前最可能實(shí)現核聚變能發(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 )對托卡馬克裝置造成很大的危害，主要表現在以下三個(gè)方面：裝置壁局部遭受很強的熱負載；在電流猝滅階段，尤其是發(fā)生垂直不穩定性時(shí)，裝置壁及其支撐機構將遭受很強的電磁力負載；等離子體破裂發(fā)生時(shí)，在環(huán)向會(huì )產(chǎn)生很強的環(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，對壁造成很大的破壞；另外破裂發(fā)生時(shí)會(huì )發(fā)生強烈的等離子體與壁強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 )影響后續放電的正常進(jìn)行。先進(jìn)超導托卡馬克(EAST) 是世界上第一個(gè)非圓界面全超導托卡馬克裝置，它與國際熱核聚變堆(ITER) 有著(zhù)相似的磁位型結構，因此在其上開(kāi)展等離子體破裂緩解研究不僅對EAST 的安全運行至關(guān)重要，而且對IIER開(kāi)展類(lèi)似的研究有著(zhù)借鑒意義。

　　研究發(fā)現，如果在等離子體破裂前迅速向裝置內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，從而對裝置起到保護作用。為了滿(mǎn)足在EAST 上開(kāi)展高壓氣體注入對等離子體破裂影響的研究需求，靠渦流驅動(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)成功的應用到EAST及HT-7(Hefei Tokamak-7) 破裂緩解實(shí)驗研究中。為了進(jìn)一步縮短充氣時(shí)間，在該閥成功研制的基礎上，把快閥設計成出口可以安裝到裝置內部，該種結構設計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、出口內置式渦流驅動(dòng)快閥原理及結構介紹

1.1、出口內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)準確的等離子體破裂預測，但是由于等離子體破裂原因非常復雜，因此等離子體破裂預測是一件非常困難的事情,雖然絕大多數托卡馬克裝置都進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究，也取得不錯的研究成果，但是破裂預測提前量依然不是很大，因此，要實(shí)現實(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，該系統要能在破裂預測提前量的時(shí)間內完成對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(mǎn)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動(dòng)的，其主要核心部件是一個(gè)類(lèi)似/ 蚊香0結構的平板螺旋線(xiàn)圈。當一個(gè)強脈沖電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，根據電磁感應原理可以得知，線(xiàn)圈上面的/工字型鋁制閥芯就會(huì )受到一個(gè)強電磁力( 遠大于閥芯的密封力) ，閥芯就會(huì )被彈開(kāi)，工作腔室內部的氣體就會(huì )從快閥出口進(jìn)入到托卡馬克裝置內部。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。其結構及原理如圖1 所示。

圖1 快閥結構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用

　　在2012 的EAST 春季實(shí)驗中，利用該閥進(jìn)行了充氣實(shí)驗研究，所有的實(shí)驗均是向穩態(tài)放電的等離子體中注入一定量的惰性氣體，研究充入氣體對等離子體參數的影響。等離子體參數為: 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(cháng)度約1.8 m，內徑為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)驗發(fā)現，注入的氣體只能進(jìn)入到等離子體邊界區域，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域就被電離成離子而隨磁力線(xiàn)沿著(zhù)邊界的磁面運動(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度，如圖4 所示，為自然破裂和由于充氣而導致破裂的比較，由數據可以看出，對比與自然破裂的情況，充氣后最大輻射強度從5 變?yōu)?0，輻射強度變?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，則其對壁的破壞性將大為減小。

總結

　　內置式快閥在外置式快閥成功研制的基礎上基本研制成功，經(jīng)平臺測試，其響應時(shí)間比外置式快閥稍長(cháng)，但是也小于1 ms，這主要是由于采用了較長(cháng)的閥芯結構而造成的，長(cháng)閥芯結構同時(shí)也導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)現快速的開(kāi)啟。在外置式快閥脈沖電路的基礎上，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，電容器儲能及電磁力都將變?yōu)樵瓉?lái)的10 倍。經(jīng)平臺測定其響應時(shí)間小于1 ms；另外，由于采用強彈簧壓力來(lái)提供預應力，因此，該閥不僅可以實(shí)現快速開(kāi)啟，而且還可以實(shí)現快速關(guān)閉，也就是充氣脈寬短( 不大于5ms) ，這對破裂緩解時(shí)非常有利的，因為破裂緩解的要求是在破裂前充入一定量的氣體，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 )對裝置產(chǎn)生破壞作用；該閥的最大充氣量則可以達到50000 Pa#L，這樣，其響應時(shí)間及流量都可以滿(mǎn)足EAST 超導托卡馬克裝置對破裂防護系統的要求。

　　該閥的成功研制，為在EAST 超導托卡馬克裝置上開(kāi)展實(shí)時(shí)的等離子體破裂緩解實(shí)驗提供了有效的工具，其實(shí)際功能將在下一輪的EAST 實(shí)驗中進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗。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。