黃 明，李成龍，左桂忠 ，吳金華，曹 斌，莊會(huì)東，陳 躍，余耀偉，王 勇，徐宏亮*，胡建生*

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所，合肥 230031）

0 引言

隨著能源消耗的增加，核能的發(fā)展能夠極大改善能源缺乏的困境。目前運(yùn)行的核電站均為裂變核電站。裂變核電站產(chǎn)生的核廢料放射性高、半衰期長、處理難度高，極易形成放射性污染。相對(duì)于核裂變，核聚變具有能量更高、原料來源簡單易獲?。êＫ商崛、氚（T））以及無放射性污染等優(yōu)點(diǎn)，是未來的理想能源。可控核聚變一直是國際上的研究熱點(diǎn)。目前國際主流可控核聚變裝置采用的是磁約束方式托卡馬克裝置。目前托卡馬克裝置的加料方式主要有普通充氣[1]、超聲分子束注入（SMBI）[2]、D彈丸注入[3]和緊湊環(huán)等方式。其中普通充氣具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝操作容易以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，作為基本加料方式已經(jīng)應(yīng)用于所有托卡馬克裝置中。超聲分子束注入具有注入深度更深、響應(yīng)更快的特點(diǎn)，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）[4]與 HL-2A[5]。

EAST是世界上第一個(gè)非圓截面、全超導(dǎo)托卡馬克裝置[6]，具有和國際熱核聚變堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）類似的磁場結(jié)構(gòu)、加熱方式、運(yùn)行模式和鎢偏濾器結(jié)構(gòu)。其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是為下一代高功率、長脈沖等離子體運(yùn)行的聚變裝置（如ITER、CFETR）的設(shè)計(jì)提供前期預(yù)演[7]。主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：主半徑R=1.85 m，小半徑a=0.45 m，等離子體最大電流Ip=1 MA，最大放電脈沖時(shí)長大于1 000 s[8-9]。EAST目前常用加料方式有普通充氣和超聲分子束注入。普通充氣由于利用穩(wěn)壓罐與主真空室壓差驅(qū)動(dòng)D2注入，配合壓電閥共同實(shí)現(xiàn)加料，因此注入速度低，注入的絕大部分D2在刮削層（SOL）就已經(jīng)被電離，沿著磁力線輸運(yùn)到偏濾器區(qū)域被抽除，難以到達(dá)等離子體芯部[10]，從而導(dǎo)致加料效率較低。因此邊界等離子體物理的研究過程中也常用到普通充氣系統(tǒng)[11]。比如低雜波輔助加熱系統(tǒng)、離子回旋加熱系統(tǒng)工作時(shí)充入一定量的D2可以改善低雜波與等離子體的耦合從而增加加熱效率[1，12]。在偏濾器區(qū)域充入 Ne、Ar、SiD4和CD4等雜質(zhì)氣體研究等離子體脫靶[13]和邊界局域模（ELM）緩解等前沿等離子體物理問題[14]。在中平面充入少量Ar還可以用于一些診斷系統(tǒng)的工作，如彎晶譜儀等。因此需要對(duì)普通充氣系統(tǒng)的氣體注入量與注入速率進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的等離子控制和物理現(xiàn)象分析。超聲分子束注入由脈沖電磁閥控制，由于注入的氣體被加速到超聲速，注入等離子體深度相對(duì)普通充氣更深、響應(yīng)更快、加料效率更高，常用作等離子體密度反饋調(diào)節(jié)，同時(shí)也能用作偏濾器反饋脫靶充氣。本文重點(diǎn)研究EAST中不同加料手段的加料速率與加料效率，并應(yīng)用于EAST一百秒一億攝氏度等離子體放電實(shí)驗(yàn)中。

1 加料速率標(biāo)定

1.1 普通充氣系統(tǒng)及速率標(biāo)定

EAST普通充氣系統(tǒng)可分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)：（1）主充氣系統(tǒng)，用于等離子體加料和等離子體密度反饋控制；（2）低雜波充氣系統(tǒng)與離子回旋充氣系統(tǒng)，用于改善低雜波、離子回旋波與等離子體的耦合從而實(shí)現(xiàn)更高加熱效率；（3）偏濾器雜質(zhì)注入充氣系統(tǒng)，用于研究等離子體脫靶與ELM抑制等；（4）用作其他用途的充氣系統(tǒng)，如用于彎晶譜儀診斷測量的Ar充氣系統(tǒng)。所有普通充氣系統(tǒng)均采用壓電晶體閥控制。壓電閥的電壓大小直接與充氣量和速率相關(guān)。圖1反映了裝置中用作不同用途的充氣系統(tǒng)的位置。普通充氣系統(tǒng)工作原理如圖1所示，穩(wěn)壓罐（如JHG1）通過壓電閥（如JHPEV3）與主真空室相連接。實(shí)驗(yàn)中通過控制壓電閥的電壓來調(diào)節(jié)進(jìn)氣量。

圖1 EAST普通充氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structural diagram of gas puffing system on EAST

實(shí)驗(yàn)中對(duì)普通充氣子系統(tǒng)的壓電閥進(jìn)行不同電壓、不同脈沖寬度下的充氣速率標(biāo)定。在標(biāo)定過程中，為了避免干擾，每個(gè)壓電閥單獨(dú)標(biāo)定測試。壓電閥的電壓一共設(shè)置6組，分別為3.5 V、3.8 V、4 V、4.2 V、4.4 V和4.6 V，電壓增益倍數(shù)為20倍。在同一電壓下，設(shè)置5組脈寬長度，分別為10 ms、20 ms、30 ms、40 ms和50 ms。在脈沖注入的同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測穩(wěn)壓罐的壓力。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

可知，在溫度恒定時(shí)，穩(wěn)壓罐內(nèi)的氣體壓力變化與粒子數(shù)變化量成正比，即：

式中：p為穩(wěn)壓罐內(nèi)壓力；V為穩(wěn)壓罐標(biāo)準(zhǔn)體積；n為穩(wěn)壓罐內(nèi)粒子數(shù)；R為摩爾氣體常數(shù)；T為穩(wěn)壓罐內(nèi)氣體溫度。其中，穩(wěn)壓罐的體積事先利用標(biāo)準(zhǔn)罐體進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定過程中將穩(wěn)壓罐與真空室之間的注入管道體積考慮在內(nèi)，以減小注入管道體積對(duì)標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生的影響。

通過式（2）可以由加料期間穩(wěn)壓罐內(nèi)氣體壓力變化計(jì)算出注入到主真空室的粒子數(shù)。由于穩(wěn)壓罐設(shè)置了自動(dòng)補(bǔ)氣系統(tǒng)，穩(wěn)壓罐壓力一般穩(wěn)定在1.8×105～2×105Pa。每個(gè)穩(wěn)壓罐由差壓規(guī)實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力變化，監(jiān)測范圍為0～2×105Pa。由于單個(gè)脈沖時(shí)間很短，可以認(rèn)為在單個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)，D2的注入速率恒定。由于壓電閥在EAST外圍，磁場對(duì)壓電閥的影響較弱，實(shí)驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)磁場對(duì)電磁閥的干擾，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與裝置運(yùn)行的安全性。

圖2為低雜波充氣系統(tǒng)壓電閥的電壓大小與充氣量和充氣速率的關(guān)系。可以看出，壓電閥的電壓依次從3.5 V調(diào)整到4.6 V。每個(gè)電壓數(shù)值脈沖時(shí)長依次從10 ms增長到50 ms。同一電壓充氣速率與脈沖寬度基本呈正相關(guān)。脈沖寬度越大，充氣速率越高。圖3為不同壓電閥在不同電壓、脈沖時(shí)長條件下的D2注入速率。從圖3（d）（e）可以看出，在相同的電壓下，充氣速率雖然隨著脈沖寬度增加而增加，但是增幅越來越小。例如在4 V電壓下，脈沖寬度從10 ms增加到20 ms，充氣速率從約0.67×1021D原子/s增加到約1.28×1021D原子/s，凈增幅為0.61×1021D原子/s；當(dāng)脈沖幅度依次增加10 ms到50 ms脈寬時(shí)，充氣速率增幅依次為約0.55×1021D原子/s、約 0.48×1021D 原子/s、約 0.41×1021D 原子/s。這表明當(dāng)電壓一定時(shí)，即閥門開度一定時(shí)，脈沖寬度對(duì)充氣速率增加的作用逐漸減弱。

圖2 低雜波充氣系統(tǒng)壓電閥的電壓大小與充氣量和充氣速率的關(guān)系Fig.2 Relationship between voltage of piezoelectric valve and puffing amounts and puffing rate in low hybrid wave system

圖3為不同普通充氣系統(tǒng)的壓電閥電壓、脈沖寬度與充氣速率的關(guān)系。從圖3（a）～（f）可以看出，在相同的脈寬下，壓電閥電壓越高，即閥門開度越大，充氣速率越高，隨著電壓的增高，充氣速率增長變緩。這意味閥門開度增加在一定程度上對(duì)充氣速率增加是有益的，可以彌補(bǔ)脈寬長度不夠帶來的充氣速率不足。主充氣系統(tǒng)的電壓、脈寬與充氣速率總體上呈正相關(guān)。但是與其他普通充氣系統(tǒng)相比，充氣速率與電壓、脈寬的關(guān)系有較大的波動(dòng)?？赡艿脑蚴?，主充氣系統(tǒng)壓電閥頻繁使用，產(chǎn)生一定的磨損從而對(duì)校準(zhǔn)帶來一定的誤差。通過控制壓電閥電壓跟脈沖寬度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充氣速率更精確的控制。這對(duì)于未來的等離子體密度反饋控制以及其他物理實(shí)驗(yàn)開展提供了數(shù)據(jù)支持。

圖3 不同充氣系統(tǒng)的壓電閥在不同電壓、不同脈沖時(shí)長時(shí)的D2注入速率Fig.3 The puffing rate of D2of piezoelectric valves in different puffing system at different voltages and pulse times

1.2 超聲分子束加料充氣速率標(biāo)定

SMBI具有響應(yīng)快、注入等離子體深度更深以及加料效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此常用于等離子體密度的反饋調(diào)節(jié)。EAST目前用于等離子體加料的SMBI系統(tǒng)一共有兩套，分別位于J、C窗口低場側(cè)中平面附近。SMBI采用體積為300 mL的前級(jí)穩(wěn)壓罐用于實(shí)時(shí)充氣，后端采用更大體積罐體用于放電結(jié)束后對(duì)穩(wěn)壓罐氣體進(jìn)行補(bǔ)充。利用拉法爾噴嘴原理將氣體速度提升至超聲速以注入等離子體，通過脈沖電磁閥實(shí)現(xiàn)脈沖式注入。為了減少磁場對(duì)電磁閥的影響，對(duì)SMBI的閥門加裝電磁屏蔽套。SMBI加料的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 SMBI示意圖Fig.4 The structural diagram of SMBI system

在超聲分子束注入速率的標(biāo)定中，利用穩(wěn)壓罐的體積變化計(jì)算出實(shí)時(shí)的充氣量（式（2））和速率（對(duì)充氣量隨時(shí)間演化求微分），除以充氣的脈沖信號(hào)（控制信號(hào)）對(duì)時(shí)間的積分可以得到充氣速率。圖5為SMBI充氣過程中穩(wěn)壓罐內(nèi)壓力隨時(shí)間的演化和SMBI注入信號(hào)演化。通過計(jì)算可以得到每個(gè)SMBI脈沖D原子注入量約為2.9×1017。

圖5 超聲分子束注入穩(wěn)壓罐壓力演化與超聲分子束注入脈沖信號(hào)演化Fig.5 The evolution of the pressure of SMBI as time and the evolution of the signal of SMBI injection as time

2 加料速率在等離子體放電相關(guān)計(jì)算中的應(yīng)用

2.1 超聲分子束注入加料效率計(jì)算

圖6為一次歐姆放電過程中超聲分子束注入對(duì)等離子體密度的補(bǔ)償過程。其中等離子體中D的數(shù)量由等離子體密度（Point密度診斷系統(tǒng)測量得到）與EFIT（等離子體平衡重建程序）反演得到的等離子體體積相乘得到。而SMBI注入的D原子數(shù)量由式（2）計(jì)算出。從圖6（a）（b）可以看出，在穩(wěn)定的等離子放電過程中，超聲分子束的注入會(huì)直接引起密度的增加。取每次超聲分子束注入前后的等離子體中D數(shù)量的變化量除以該次超聲分子束注入D的總量作為加料效率，如式（3）。

式中：η為加料效率；ΔNe為等離子體增量；Np為加料量。

如圖6（c）所示，通過式（3）可以計(jì)算出超聲分子束注入的加料效率為7%～15%。

圖6 超聲分子束注入的等離子密度補(bǔ)償和加料效率Fig.6 Plasma density compensation and puffing efficiency of SMBI

2.2 放電中累積加料粒子數(shù)的計(jì)算

在EAST最新一百秒一億攝氏度的長脈沖等離子體放電中，通過不同加料方式協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的長脈沖等離子體放電。圖7為不同加料方式（如普通充氣、低雜波充氣、SMBI充氣等）充氣量隨時(shí)間的演化。充氣加料過程中的加料粒子控制可由式（4）給出。

式中：Qall為總的充氣量；QGI為普通充氣量；QLHW為低雜波充氣量；QSMBI為超聲分子束注入量。每一項(xiàng)的充氣量可由加料罐體實(shí)時(shí)采集的壓力變化經(jīng)式（1）（2）計(jì)算得到。

從圖7可以看出，等離子體密度在不同加料方式協(xié)同作用下基本維持穩(wěn)定。從60 s開始充氣基本停止，但是等離子體密度依然得到很好的維持。這說明在長脈沖放電后期，燃料粒子的再循環(huán)[15]很嚴(yán)重，甚至可以在不加料的情況下維持等離子體密度。為長脈沖等離子放電實(shí)驗(yàn)提供了參考。

圖7 一百秒一億攝氏度等離子體放電充氣演化Fig.7 The evolution of puffing during the plasma 100 seconds 100million degrees Celsius

3 總結(jié)

通過對(duì)EAST裝置中普通充氣系統(tǒng)的充氣速率在不同壓電閥電壓、脈沖寬度下的標(biāo)定，確定了充氣速率與電壓、脈沖寬度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)充氣速率與壓電閥電壓、脈沖寬度呈正相關(guān)。在相同的電壓下，脈沖寬度越大，充氣速率越大，充氣速率的增幅越來越小。在相同的脈寬下，壓電閥電壓越高，即閥門開度越大，充氣速率越大，充氣速率增大速率變緩。通過控制脈寬與壓電閥電壓，能夠精確地控制普通充氣的注入速率。

通過對(duì)SMBI單個(gè)脈沖進(jìn)氣量進(jìn)行標(biāo)定，確定了SMBI單個(gè)脈沖進(jìn)氣量約為2.9×1017。計(jì)算得出SMBI在歐姆放電條件下的加料效率為7%～15%。對(duì)SMBI的充氣速率與加料效率的標(biāo)定有利于實(shí)現(xiàn)使用SMBI對(duì)等離子體密度進(jìn)行更精確控制與調(diào)制。已經(jīng)在EAST中百秒量級(jí)一億攝氏度等離子體放電中得到應(yīng)用，為等離子體密度反饋控制以及其他物理實(shí)驗(yàn)開展提供了數(shù)據(jù)支持。