EAST弹丸注入系统及其工程调试

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院等离子体物理研究所 作者:李长征

  超导托卡马克(EAST)弹丸注入系统能够连续制备和发射多颗弹丸,其能够在连续100s的弹丸发射过程中保证可靠性大于99.6%。弹丸形状为直径2mm,长度2mm的圆柱体,注入频率1~10Hz,注入速度150~300m/s可调。目前,弹丸注入系统已经安装在EAST装置上,经过台面测试和联机调试,证明系统性能可靠。本文主要介绍了弹丸注入系统的组成、原理、调试以及相关弹丸注入等离子体改变其行为的实验结果。

  弹丸注入是等离子体加料的主要手段之一。与普通充气加料方式相比,弹丸注入加料具有更高的加料效率和更深的燃料粒子沉积,可以获得更加纯净的等离子体。同时,弹丸注入还可以改善等离子体的性能。如提高等离子体密度;降低粒子在器壁的滞留,改善边界再循环,提高等离子体约束性能;改变高约束模(H模)等离子体放电的边界局域模的行为,改善H模等离子体放电性能,降低第一壁热负荷。EAST自2006年建成投入实验以来参数不断提高,更于2010年分别实现了大于60多倍能量约束时间高约束模式(H模)等离子体放电,100s 1500万度偏滤器长脉冲等离子体放电,最高等离子体平均电流达1MA。为满足EAST高参数、长脉冲等离子体运行要求,中科院等离子体所与俄罗斯培林实验室(PELIN Laboratory Ltd.)合作研制了一套弹丸注入系统,工程调试获得了良好结果,并已在本轮物理实验中投入使用。

1、弹丸注入系统的构成和工作原理

  EAST弹丸注入系统主要由以下子系统组成:挤压制冰器系统,丸料气体和推进气体的供气系统,真空扩散系统,液氦冷却系统,诊断系统(弹丸速度测量等)和自动控制系统。弹丸注入系统的结构概貌如图1所示。

EAST弹丸注入系统示意图

图1 EAST弹丸注入系统示意图

  挤压制冰器系统是由俄罗斯培林实验室研制的。其主要由真空室、挤压杆、挤压驱动器、弹丸切割器、快速电磁阀、液氦蒸汽调节阀和压力和温度传感器等构成。其优点是可以根据实验要求,实现单发弹丸注入和连续多发弹丸注入的快速切换,成冰质量高,切割成型时弹丸完整性好。图2给出了挤压制冰器的结构示意图。

挤压制冰器结构示意图

图2 挤压制冰器结构示意图

  真空扩散系统的主要目的是抽出弹丸推进气体氦气,防止其进入装置,引入杂质和影响装置真空度。采用二级扩散,第一、二级扩散室体积为15.7L,缓冲室体积为355L,一级扩散和二级扩散的主泵为抽速为1200L/s的FF-200分子泵;弹丸制备器本身的真空热绝缘维持采用抽速为100L/s的抽气机组;同时为了有效抽除连续制冰和发射弹丸过程中产生的大量废冰和废气,与挤压切割器连接一个100L的缓冲罐并配备一干泵机组抽气。经过理论计算,稳态运行下二级扩散室真空不高于1.67×10-4 Pa的压强,这样的气压再经过管道与装置相连,基本可以忽略对装置真空的影响。

  EAST弹丸注入器制冰过程中需要提供一定流量(15L/s)及温度的液氦蒸汽用于冷却加料气体,且蒸汽绝对压力不可高于0.13MPa。为实验期间系统的稳定可靠运行,采用从低温系统引入液氦在注入器入口出将其加热气化到指定温度及压力以便制冰使用。液氦供给系统的示意图如图3所示。液氦管道从内置低温泵分配阀箱引致EAST装置水平A窗口下方。在注入器入口处布置一段加热丝(最大加热功率45W)、热电偶和压力传感器,并通过PID仪表反馈调节,保证进入注入器的液氦蒸汽温度大于5K,压力不高于0.15MPa。实验中,降温过程中液氦消耗量约为0.7g/s,降温到位时间约为2.5h。

弹丸注入器液氦供给示意图

图3 弹丸注入器液氦供给示意图

  挤压制冰器的工作原理:首先将制冰器系统抽真空,然后启动液氦冷却系统对制冰器进行降温,至成冰温度后,从供气系统将燃料气体引入冷凝池并被液氦冷却成霜,挤压杆在步进电机的旋转下将燃料气体挤压成冰从底部直径2mm的管道推出,与冰柱垂直的切割器包含一个直径2mm的薄壁圆管,在电磁力的作用下水平运动并切割冰柱形成直径长度均为2mm的弹丸。成冰之后切割器尾部的快阀快速打开高压气涌入管道中加速弹丸从出口飞出进入真空扩散室和诊断室。

2、系统调试

2.1、台面测试

  弹丸注入系统台面测试的主要目的是系统设计相关参数的检验,以及不同速度与频率下弹丸注入器稳定性的测试。联机调试的主要目的是测试弹丸在高场和低场注入时的可靠性。台面测试和联机调试的燃料气体为氘气,压力0.4~0.5MPa,推进气体为纯度为99.99%的氦气,压力0.2~0.3MPa。测试中,使用液氦杜瓦供给液氦并采用加热丝加热液氦获得液氦蒸汽,冷却燃料气体。

  测试之前,对整个系统进行常规检查,如切割机能否正常工作。然后按照操作规范启动泵组,挤压制冰器真空室的真空度应小于1Pa,扩散室真空度应低于5×10-3 Pa。之后,打开制冰器的所有电子单元和PLC逻辑控制器,打开工业计算机,启动控制程序。打开燃料气体和推进气体气源,将供气系统管路抽空,分别用燃料气体和推进气体置换相应的送气管路,保持管路的纯净。连接液氦杜瓦,

  并用加热丝对其进行加热,开始加热参数设置为I=1.60A,V=20V,液氦蒸汽进入制冰器开始冷却燃料气体,在此过程中每15min记录温度和真空度等参数。观察控制界面温度参数的变化,当液化器温度Tl小于20K和挤压机温度TE小于12K,即可开始制丸,在控制界面上设置推进气体压力、注入频率、挤压机的转速等参数,按下stand by empty,开始填料,大概15min后,进气阀门关闭,进入stand by full状态,挤压器开始工作,1~2min后,可在观察窗看到/冰柱0的出现,如图4所示。挤压过程结束之后,通过控制界面的continuous or single按钮可以开始发射弹丸。图5给出的是在设定参数为注入频率10Hz,注入速度300m/s的情况下连续100s发射弹丸的情况下拍摄到的一组弹丸照片,其可靠性为100%。

CCD相机观察到的冰柱

图4 CCD相机观察到的冰柱

连续100s发射弹丸

图5 连续100s发射弹丸

2.2、联机调试

  联机调试的主要目的是测试弹丸发射以后,通过传输管道进入EAST装置的稳定性和可靠性。其中,低场侧注入管道长约4.5m,高场侧注入管道长约9.5m。前期准备工作与成冰过程与台面测试大致相同。为了监测弹丸能否通过传输管道进入装置,在高场和低场注入的管道处连接了铝箔,通过观察弹丸发射后铝箔的变形情况进行判断。图6给出了联机调试的测试结果。

联机调试的测试结果

图6(a)装置内高场注入管道末端与铝箔连接;(b)弹丸注入后,低场侧铝箔被弹丸击穿;(c)弹丸注入后,高场侧铝箔被弹丸击穿

3、弹丸注入对等离子行为影响实验

  2012年EAST春季实验,分别进行了低场和高场的弹丸单发和多发注入实验。弹丸注入后,引起了等离子体参数一系列变化。最明显的变化是等离子体密度上升,Ha线辐射增强,CIII和OII等杂质辐射也增强,电子温度降低以及软X射线辐射强度降低等。图7(高场注入单发弹丸)和图8(低场连续注入9发弹丸)分别给出了相关的实验结果。

弹丸注入对等离子行为影响实验

图738098炮,3s注入弹丸后的放电曲线

弹丸注入对等离子行为影响实验

图841878炮,315s开始连续注入9发弹丸Ha变化剖面图

4、总结

  EAST弹丸注入系统经过台面实验和工程调试,成功制出高质量的氘冰柱并切割、发射了氘弹丸,最高发射频率达10Hz。在长时间连续工作的情况下仍能保证很高的稳定性。EAST弹丸注入系统分别首次实现了从低场和高场的弹丸注入等离子体,并取得了一些初步实验结果。这些都表明了EAST弹丸注入系统很好地完成了设计目标。同时,在实验中也发现了一些问题,如连续100s注入弹丸时将产生过多的废冰和废气;以及速度较快的弹丸经过长距离的传输管道破损和消融问题。下一步计划是针对这些不足之处进行改进和完善,为弹丸注入系统进一步参与物理实验提供更好的平台。

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