等離子體破裂防護快速充氣閥性能分析

等離子體破裂防護快速充氣閥性能分析托卡馬克裝置在放電過程中經(jīng)常會發(fā)生破裂現(xiàn)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(dǎo)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(qū)動的等離子體破裂防護快速充氣閥已經(jīng)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。為了更加準(zhǔn)確地測量快閥的響應(yīng)時間并對其流量開展標(biāo)定,搭建了基于磁柵尺的測試平臺來測量快閥的響應(yīng)時間,并編寫了相應(yīng)的測試程序,測試結(jié)果說明快閥得到觸發(fā)信號后在0.5ms時間內(nèi)就可以開啟,其流量可以從0~70000PaL之間方便開展調(diào)節(jié),其響應(yīng)時間及流量完全可以滿足等離子體破裂防護對充氣系統(tǒng)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(xiàn)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(wěn)定性等原因,破裂事件經(jīng)常發(fā)生,等離子體破裂會使裝置第一壁及其他構(gòu)造遭受局部超熱負載、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防止及緩解已經(jīng)成為目前托卡馬克研究中的一個重要的研究方向。研究發(fā)現(xiàn),在熱淬滅之前向等離子體內(nèi)部注入一定量的雜質(zhì)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?；跍u流驅(qū)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(dǎo)托卡馬克(EAST)裝置上開展高壓氣體注入(MassiveGasInjection,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(qū)動的、不受磁場干擾的快速充氣閥,目前該閥已經(jīng)成功地應(yīng)用于上輪的EAST試驗中,取得了理想的效果。為了更準(zhǔn)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-磁柵尺來開展快閥響應(yīng)時間的測量,并編寫了相應(yīng)的采集程序使數(shù)據(jù)采集更加的準(zhǔn)確、方便;同時為了標(biāo)定快閥的流量與電壓及氣壓的關(guān)系,搭建了一套快閥充氣量標(biāo)定平臺,對快閥的流量開展了準(zhǔn)確的標(biāo)定。

快閥

根據(jù)電磁感應(yīng)的原理,當(dāng)線圈中有變化電流通過時,線圈周圍的導(dǎo)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,其構(gòu)造如圖1所示。

圖1快閥的構(gòu)造

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(jù)不同的工作要求,氣壓可以方便調(diào)節(jié),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(guān)閉狀態(tài),當(dāng)有強脈沖電流通過平板螺旋線圈時,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,鋁制閥芯就會受到一個強脈沖電磁斥力,該電磁力可以到達幾千牛頓,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(dāng)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(tài),完成一次脈沖充氣。

該閥有以下優(yōu)點:：響應(yīng)時間快,由于脈沖電磁力可以到達幾千牛頓以上,因此閥開啟速度非?？?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(wěn)態(tài)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(huán)境中工作。

測試結(jié)果

應(yīng)用磁柵尺測得的快閥開關(guān)特性曲線如圖6所示,0時刻為快閥的觸發(fā)時刻,從該圖上可以看出,快閥得到觸發(fā)后,大約0.5ms后,閥芯開始運動,也就是說快閥的響應(yīng)時間為0.5ms,過了大約9ms,閥芯運動的最大距離,整個工作時間為17ms左右,改變閥芯不同的背部壓力來開展測量,閥芯的響應(yīng)時間也在0.5ms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(xù)的時間,從而改變了快閥的流量。從響應(yīng)時間整個指標(biāo)來看,該快閥完全可以滿足破裂防護對充氣系統(tǒng)響應(yīng)時間的要求。

圖6快閥的開關(guān)特性曲線

快閥的流量與工作電壓及工作氣壓的關(guān)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(diào)節(jié)氣壓及電壓,快閥的單脈沖充氣量可以從1~70000PaL之間開展調(diào)節(jié),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(shè)計指標(biāo)為5000V,但為了安全考慮,電壓只加到4000V左右。

圖7快閥的流量與電壓及氣壓的關(guān)系

綜上所