高压气体注入缓解等离子体破裂实验研究

高压气体注入缓解等离子体破裂实验研究
庄会东;张晓东
【摘要】Massive gas injection (MGI) is a promising method on disruption mitigation . The working principle of the fast valve for disruption mitigation was introduced .The disruption mitigation experiments by MGI on HT-7 were described . The experiment show s that the impurities radiation is improved by injecting appropriate amount of gas , and the current quench rate is slow dow n ,so the electromagnetic load on the device is mitigated .The experiments show that the fast valve can completely satisfy the require-ment of disruption mitigation on HT-7 .%通
过高压气体注入的方式进行等离子体破裂缓解，已成为目前托卡马克装置破裂缓解的主要研究方向。

本文介绍了等离子体破裂防护高压气体快速充气阀的工作原理，应用该快速充气阀在 HT-7上进行了高压气体注入实验，并分析了其对等离子体破裂缓解的影响。

实验发现，杂质气体的注入可很大程度上提高热辐射强度，降低等离子体温度；调节充气量可改变电流的猝灭率，从而可改变装置所受的电磁力负载。

实验表明，该套快速充气阀可完全满足 HT-7实验的需求。

【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2013(000)009
【总页数】4页(P1492-1495)
【关键词】等离子体;破裂缓解;涡流驱动;快速充气阀
【作者】庄会东;张晓东
【作者单位】中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥,230031;中国科学院等
离子体物理研究所,安徽合肥,230031
【正文语种】中文
【中图分类】O539
在托卡马卡等离子体放电过程中，由于等离子体不稳定性等原因，时常会发生放电突然中止的现象，这就是等离子体破裂。

等离子体放电破裂主要有以下三大危害［1］：在破裂时，大量的热等离子体瞬间打到装置器壁局部，会使器壁局部遭受强烈的热负载冲击；在拉长型的托卡马克装置中，由于垂直不稳定性而引起的破裂会在装置刮削层产生晕电流，该电流与磁场发生相互作用，而使器壁及其支撑结构遭受很强的电磁力负载；在破裂发生时，由于电磁感应现象，会产生很强的感应电场，该电场会加速电子到很高的能量，失去控制的快电子打到器壁上会严重危害装置的安全。

另外，在破裂发生后会在装置内部引入大量的重杂质离子，这些离子很难清除，会影响后面放电的顺利进行。

因此，为了保护装置的安全，世界各大装置上都进行了破裂防护的研究［2－5］。

研究发现，如果在破裂前快速地向装置内
部注入一定量的惰性气体，则可很大程度上缓解由于破裂而带来的对装置的危害。

本文将进行这方面的研究。

1 快速充气阀介绍
要实现真正意义上的破裂充气缓解，对充气系统应有以下要求：1）快速的充气响应时间，这个时间是整个充气系统从触发到气体进入装置的时间，应小于破裂预测的提前量，只有这样，才能起到破裂缓解的效果；2）气量的要求，根据数值模拟的结果，要有效地抑制快电子，注入的总的电子数密度（自由态加束缚态总和）应超过等离子体电子密度的10～100倍［6］，因此要求充气系统有很大的流量；3）
不受磁场影响，由于托卡马克装置的磁场是开放型磁场，在托卡马克装置周围有着很强的磁场，因此，该充气系统应能在强磁场环境中正常工作，而不会出现误动作或不正常工作。

基于以上考虑，目前可供选用的电磁阀和压电晶体阀均不能同时满足要求。

对于电磁阀，虽然其流量很大，但其响应时间很长，且它的一个致命缺点是易受磁场的影响，因此很难安装在装置附近区域，这就使其很难满足等离子体破裂缓解的要求；而对于压电晶体阀，虽然其名义响应时间可达2ms，但由于其流量非常小，也不能满足破裂缓解的要求。

因此，基于TEXTOR装置上快阀［7］的原理研制了一种新型的快速充气阀，该快阀可在小于0.5ms的时间内打开，且可实现在几ms的时间内快速向装置内部注入一定量的气体，气量可方便地进行调节［8］，因此该阀可满足等离子体破裂缓解的要求。

研制的快速充气阀是一种脉冲式涡流驱动阀，其结构如图1所示。

其工作流程如下：阀体不工作时两个腔室内部均注满高压气体（可根据实验要求在0.1～3MPa之间进行调节），阀芯在气体压力的作用下保持关闭状态，当通过一个脉冲电流、发生器产生的强脉冲电流使其通过阀芯底部的平板螺旋线圈时，根据电磁感应原理则该阀芯受到一个向上的强脉冲电磁力。

由于该电磁力是一个脉冲电磁力，因此，阀芯可被像δ函数一样的电磁力F加速，此力消失后，阀芯在气体压力的作用下恢复到原来位置，完成一次周期运动，从而实现一次脉冲式充气。

由于阀芯所遭受的涡流电磁力非常强，因此，阀芯开启的速度非常快。

其响应时间测试如图2所示。

从图2可知，在快阀获得触发信号后，在0.5ms的时间内快阀阀芯被弹开，从而实现快速充气。

图1 快速充气阀结构Fig.1 Schematic diagram of fast valve
图2 快速充气阀开关特性曲线Fig.2 Open characteristics of fast valve
2 快速充气阀在HT－7托卡马克装置中破裂缓解研究中的初步应用
实验参数为：限制器位型纯欧姆放电，等离子体电流130kA，等离子体密度
1.4×1019 m－3，纵场1.8T。

在试验中通过改变充气量来研究不同的气量对电流猝灭率及第1壁负载的影响。

所用气体为氦气。

113148炮充入杂质气体后等离子体参数示于图3。

由图3可见，快阀触发后1.8ms Hα辐射开始增长，这说明气体开始进入等离子体，同时边缘电子温度首先开始降低，3ms后，中心电子温度开始下降，也即气体的注入首先冷却边界等离子体，然后是中心区域得到冷却。

在破裂前注入杂质气体，使气体与等离子体充分作用，可降低等离子体温度从而可减小装置所受的热负载。

图3 113148炮充入杂质气体后等离子体参数Fig.3 Plasma parameters of shot 113148after gas injection
在相同的放电参数条件下，通过控制充气阀的参数（电压及气压）来改变充气量。

从试验结果可看到，这可在很大程度上改变电流猝灭率。

在限制器位型下，由于等离子体电流的衰减，根据电磁感应原理，装置内部感应出涡流，该涡流与磁场发生相互作用，使装置内部结构及支撑部件遭受很强的电磁力负载，通过注入杂质气体可增加电流猝灭时间，从而可减小产生的涡流大小，因此可减小装置所遭受的电磁力负载。

不同充气量对电流猝灭率的影响如图4所示，3炮中113148炮的充气量最大，113147炮充气量最小，这从等离子体边界密度及Hα线上可看出。

为了减小在最后阶段的电流测量误差，将电流从平顶段下降到平顶段电流的10%的时间定义为电流猝灭时间。

从图4可看出，通过调节充气量，电流猝灭时间可从10ms 增大到56ms，延缓了电流猝灭，从而可很大程度上减小第一壁及相关结构所遭受的电磁负载。

图4 不同充气量下等离子体参数比较Fig.4 Comparison of plasma parameters by injecting different amounts of noble gas
快电子是破裂的另一个很大的危害，它主要是破裂时产生强环向电场加速电子而产生的，其能量很高，损失到壁上会对装置第一壁造成很大的危害。

在本试验中得到
一个非常重要的现象，通过注入一定量的杂质粒子可抑制逃逸电子的产生，这可这样来解释：由于充入过多的气体，导致等离子体破裂速度过快，电子碰撞率不够，因此，很难在硬X射线中看到逃逸电子，虽然快破裂可抑制快电子的产生，但在
限制器位型下，过快的电流猝灭率会导致装置遭受很强的电磁力负载，这是不可取的。

通过控制快阀逐渐减小注入的气体量，从X射线中可发现，逃逸电子逐渐增多，而当再次减小充气量时，逃逸电子却逐渐减小，如图4所示。

这可按这样的
方式来解释：注入气量的减小导致电流破裂的延缓，从而使产生的环向电场减小，虽然此时电子的碰撞率足够高，但弱环向电场及高碰撞率联合作用的效果是使电子的加速动能减小，从而抑制了电子的产生，这对装置来说是非常有利的。

3 结论
快速充气阀的研制成功，为高压气体在破裂缓解中的应用提供了可靠的工具。

由于阀芯材料采用铝加工而成，铝是一种非铁磁性材料，这就决定了快阀对稳态强磁场及缓慢变化的强磁场有很强的免疫力，因此该快阀可安装在托卡马克装置附近区域，从而进一步缩短了气体的注入时间，快速充气阀在HT－7超导托卡马克装置上的
成功应用已证明了这点。

在限制器位型条件下，通过调节充气量，可延缓电流的猝灭，从而可减小装置内部部件感应的涡流，进而可减小其所受的电磁负载。

注入杂质气体可很大程度上增加杂质辐射，在等离子体碰壁之前将其温度降低到器壁所能承受的限度之内，从而实现对装置第一壁的保护；选择合适的充气量可抑制逃逸电子的产生，最终很大程度上实现了对装置的保护。

感谢在实验期间真空组全体成员给予的帮助以及HT－7运行组成员对试验的支持。

【相关文献】
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ZHUANG Huidong，ZHANG Xiaodong.Novel type of massive gas injection valve for mitigation of plasma disruption in Tokamak［J］.Chinese Journal of Vacuum Science and Technology，2013，33（2）：181－184（in Chinese）.。