EAST偏滤器充气系统标定

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中科院等离子体所 作者:黄剑锋

  EAST 偏滤器充气系统是辐射偏滤器研究的重要方面。本文详细介绍了EAST 新一轮改造升级后偏滤器充气系统最重要的两个特性———充气阀流量率和管道延迟时间的标定,结果显示系统性能得到较好优化,流量率线性稳定,延迟时间缩短约一半左右。

  核聚变能源是一种高效安全、环境友好且有足够原料供应的清洁能源。现今最有前景的聚变实验装置之一是利用磁场把等离子体约束在高真空封闭容器内反应的托卡马克,而先进的托卡马克等离子体位形都是运行在偏滤器位形下,偏滤器构成高温等离子与材料直接接触的过渡区域:一边是温度高达天文数字(几亿度)的等离子体,另一边是通常的固体材料。因而偏滤器靶板区域的热流值很大,给装置的长脉冲安全运行带来了极大的挑战,随着装置加热功率的进一步提高和稳定氘氚燃烧时间的延长,除了期待在材料方面有大的突破外, 辐射偏滤器(radiative divertor)是一个很好的发展方向:通过在偏滤器特定区域注入D2、Ne 和Ar 等气体,利用其辐射冷却效应主动控制稳态热流,促使等离子体发生脱靶,大大降低入射偏滤器靶板的热流,实现装置的稳态运行。充气系统(Gas Puffing System)就是辐射偏滤器应用的实际执行系统,也为研究偏滤器的不透明性、中性压强、偏滤器区域等离子体冷却、杂质控制、氦灰排出及减小靶板侵蚀提供了一个极有效的工具。

1、EAST 偏滤器充气系统

  EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) 是世界上第一个全超导非圆截面磁约束装置,有着与ITER 相同磁场结构和加热条件,与世界上现有的托卡马克装置不同,EAST 的设计初衷就是为了论证高功率长脉冲稳态等离子体运行和相关物理问题研究。但是,在偏滤器位形下,高功率长脉冲也即意味着偏滤器靶板要承受更高的稳态热流,随着加热功率的进一步提高,EAST 装置上偏滤器靶板上的热负荷将达到10 MW/m2,此时,辐射偏滤器作用更突出。辐射偏滤器的充气系统主要由控制器,执行阀门、相应的管道回路和测量装置构成,工作流程如图1 所示。通过中央处理器实时计算XUV 光谱诊断所测的靶板总辐射功率,得到其占总入射功率的比例———总辐射比,与设定的总辐射比期望值比较,如果小于期望值时就对装置进行充气,如果达到或超出期望值时就停止充气,即以主动反馈模式控制稳态热流,进而实现稳态运行。

  EAST 偏滤器充气系统采用主从、并行回路,主、从回路分别以压电晶体阀(Piezoelectric Valve —— PEV)和电磁脉冲阀(Magnetic Pulse Valve —— MPV)作为执行器,其中,PEV 内置于靠近等离子区域的颈管深处,在精确控制进气量的同时减小延迟时间;MPV 置于纵向磁场之外,主要从安全、冗余角度考虑,保障辐射偏滤器充气能正常工作。

辐射偏滤器充气控制流程示意图

图1 辐射偏滤器充气控制流程示意图

2、充气系统测试标定

  辐射偏滤器充气系统必须满足精确性和快速性的要求,故其流量率和延迟时间是最重要的两个特征。下文分别对压电晶体阀和电磁脉冲阀作了流量率和延迟时间的测量和标定。

  2.1、流量率标定

  所注入杂质气体或燃料气体的绝对精确量是定量研究偏滤器物理问题的基础,故真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为阀门流量率的标定是必要的。由理想气体方程PV=nRT 可知,在压强和温度不变的情况下,气体的量和体积成正比,所以通过测定单位时间内流过的气体体积来定义流量率。

3、结论

  本文主要介绍了EAST 辐射偏滤器研究中重要的偏滤器充气系统,具有分别以压电阀和电磁阀为执行器的两个独立充气回路,对其最重要的两个特性———流量率和延迟时间作了重点研究和标定测试。

  通过对充气系统流量率和延迟时间的测量标定,首先确定了充气系统的执行器———压电阀和电磁阀均具有很好的工作特性,这是系统正常工作的重要基础,也是充气控制程序实现精确控制的前提,由压电阀电压、电磁阀背压分别与流量的对应关系,可以较精确地计算充气系统的绝对进气量,为辐射偏滤器乃至EAST 的物理研究提供数据支持。其次也验证了系统改造后得到较好的优化,延迟时间缩短至一半,具有重要意义。再次,标定的结果,可以指导充气系统的两个独立回路的科学配套使用,实现回路间的平稳切换,避免对等离子状态造成影响。

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