托卡馬克裝置在放電過程中經常會發生破裂現象。破裂會對裝置造成很大的危害。為了滿足在實驗先進超導托卡馬克( EAST) 裝置上開展高壓氣體注入來緩解等離子體破裂研究的需求, 基于渦流驅動的等離子體破裂防護快速充氣閥已經在中科院等離子體物理研究所研制成功, 該閥的成功研制為在EAST 上面開展高壓氣體注入來緩解等離子體破裂研究提供了有效的工具。為了更加精確地測量快閥的響應時間并對其流量進行標定, 搭建了基于磁柵尺的測試平臺來測量快閥的響應時間, 并編寫了相應的測試程序, 測試結果表明快閥得到觸發信號后在0.5 ms 時間內就可以開啟, 其流量可以從0~ 70000PaL 之間方便進行調節, 其響應時間及流量完全可以滿足等離子體破裂防護對充氣系統的要求。

　　核聚變是解決人類能源危機問題的一勞永逸的方法, 托卡馬克( TOKAMAK) 是目前最有可能實現核聚變能利用的裝置, 在托卡馬克等離子體放電過程中, 由于磁流體不穩定性等原因, 破裂事件經常發生, 等離子體破裂會使裝置第一壁及其他結構遭受局部超熱負載、強電磁力作用、高能逃逸電子等三大危害, 因此等離子體破裂的避免及緩解已經成為目前托卡馬克研究中的一個重要的研究方向。研究發現, 在熱淬滅之前向等離子體內部注入一定量的雜質氣體( 主要是惰性氣體) 可以很大程度上緩解由于破裂所帶來的各種危害。基于渦流驅動的快速充氣閥首先在TEXTOR 裝置上研制成功, 其性能完全可以滿足等離子體破裂防護的需求。為了方便在實驗先進超導托卡馬克( EAST) 裝置上開展高壓氣體注入( Massive Gas Injection, MGI) 實驗來緩解等離子體破裂的研究, 中科院等離子體物理研究所也成功研制了與TEXTOR 裝置類似的靠渦流驅動的、不受磁場干擾的快速充氣閥, 目前該閥已經成功地應用于上輪的EAST 試驗中, 取得了理想的效果。為了更精確地研究該閥的性能, 采用了一種非接觸式的位移測量工具- 磁柵尺來進行快閥響應時間的測量, 并編寫了相應的采集程序使數據采集更加的精確、方便; 同時為了標定快閥的流量與電壓及氣壓的關系, 搭建了一套快閥充氣量標定平臺, 對快閥的流量進行了精確的標定。

快閥

　　根據電磁感應的原理, 當線圈中有變化電流通過時, 線圈周圍的導體就會有電磁力的作用, 基于該原理, 本文研制成功了一種脈沖式快速充氣閥, 其結構如圖1 所示。

圖1 快閥的結構

　　該閥體分為兩個腔室: 工作腔室及被壓腔室, 兩個腔室中都充滿高壓氣體, 根據不同的工作要求, 氣壓可以方便調節, 其閥芯部分為圖中所示的鋁制工字型閥芯, 在閥芯底部有一平板螺旋線圈, 在初始時, 在腔室氣壓的作用下, 閥處于關閉狀態, 當有強脈沖電流通過平板螺旋線圈時, 根據電磁感應原理,鋁制閥芯就會受到一個強脈沖電磁斥力, 該電磁力可以達到幾千牛頓, 足以克服氣體的壓力把閥芯打開, 由于該力為脈沖力, 因此, 當該力消失后, 閥芯就會在被壓氣體的壓力作用下回到初始狀態, 完成一次脈沖充氣。

　　該閥有以下優點:：響應時間快, 由于脈沖電磁力可以達到幾千牛頓以上, 因此閥開啟速度非常快;流量大; 不受磁場干擾, 由于閥芯為鋁材料制成, 鋁是一種非鐵磁性材料, 在強穩態磁場及緩慢變化的磁場中不會受影響, 因此該閥非常合適在托卡馬克環境中工作。

測試結果

　　應用磁柵尺測得的快閥開關特性曲線如圖6 所示, 0 時刻為快閥的觸發時刻, 從該圖上可以看出,快閥得到觸發后, 大約0.5 ms 后, 閥芯開始運動, 也就是說快閥的響應時間為0.5ms, 過了大約9 ms, 閥芯運動的最大距離, 整個工作時間為17 ms 左右, 改變閥芯不同的背部壓力來進行測量, 閥芯的響應時間也在0.5 ms 左右, 閥芯所受被壓的改變只是改變了閥芯的最大行程及整個過程持續的時間, 從而改變了快閥的流量。從響應時間整個指標來看, 該快閥完全可以滿足破裂防護對充氣系統響應時間的要求。

圖6 快閥的開關特性曲線

　　快閥的流量與工作電壓及工作氣壓的關系曲線如圖7 所示, 從圖中可以看出, 在相同的電壓條件下, 改變氣壓值, 獲得的曲線形式是類似的, 通過調節氣壓及電壓, 快閥的單脈沖充氣量可以從1~70000 PaL 之間進行調節, 完全可以滿足EAST 裝置上開展等離子體破裂緩解實驗對氣量的要求。雖然電源設計指標為5000 V, 但為了安全考慮, 電壓只加到4000 V 左右。

圖7 快閥的流量與電壓及氣壓的關系

　　綜上所述, 快閥的響應時間及氣體流量都完全滿足等離子體破裂防護對充氣系統的要求, 該系統的成功研制為EAST 開展等離子體破裂緩解研究工作提供了堅實可靠的工具, 更為ITER 開展類似的工作具有借鑒意義。