HL-2A强场侧弹丸注入工程设计

　　为了获得更高的弹丸加料效率，在HL-2A装置上开展了强场侧弹丸注入。本文主要介绍了一种新的注入方式)强场侧弹丸注入，详细介绍了强场侧弹丸注入的工程设计，同时也进行了弹丸在导管中的数值模拟计算，最后给出了强场侧弹丸注入初步实验结果。

　　十多年前，国内外很多聚变装置上通常从弱场侧进行弹丸注入，采用直线型管道传输弹丸，在工程上较容易实现。目前弹丸注入速度较容易达到1km/s，并能保持较好的完整性注入到等离子体中。但这样的初速度对于大型聚变堆如ITER芯部加料所要求的弹丸速度远远不够，即使使用一些特殊的手段，如二级气动枪、电磁轨道枪、电子束加热火箭效应等加速弹丸，目前能获得的最高弹丸速度只能达到5km/s。作者曾经对ITER的芯部加料问题作了研究，发现弹丸要注入到ITER等离子体芯部要求初速度为8~30km/s，如此仅靠提高弹丸注入的初速度来解决芯部加料是困难的，因此必须积极寻找一种新的注入方式或加料技术。

　　Parks等研究了弹丸消融物质沿大半径方向漂移的理论模型，暗示如采用强场侧弹丸注入能以较低的弹丸注入速度获得较高的加料效率及注入深度。在ASDEX-U、JET和DIII-D等装置实验中演示了从强场方向注入比在弱场方向注入时加料效果更显著，优越性更佳。ASDEX-U装置在ELMy-H放电下，用较小的低速弹丸改善了加料效率，加料效率比弱场侧注入时提高了4倍，弹丸注入深度至少增加2倍；DIII-D装置上强场侧注入弹丸速度只有弱场侧注入弹丸速度的1/4，但注入后弹丸消融粒子沉积位置比弱场侧弹丸注入深近1倍，加料效率也提高近1倍，高达95%。在强场侧弹丸注入实验研究中也发现，它不仅仅增加了等离子体密度和提高了弹丸加料效率，而且利用强场侧注入弹丸也能开展了许多方面的物理研究。如在DIII-D装置上，通过中心NBI加热，强场侧弹丸注入后形成中心负剪切或中心低剪切改善等离子体性能；同时在该装置上也发现通过强场侧弹丸注入能诱发H模的形成，且能有效降低H模形成所需的加热功率阈值的33%。最近在ASDEXUpgrade装置上通过强场侧弹丸注入后等离子体芯部密度超过格林沃尔德密度极限1.6倍，同时也能维持ELM的缓解。强场侧弹丸注入已成为一种新的聚变加料方式应用在国外许多托卡马克装置上，同时ITER也计划采用强场侧弹丸注入。因此，在HL-2A装置也应开展强场侧弹丸注入实验。

1、强场侧弹丸注入工程设计

　　在HL-2A装置上配备有世界先进的挤压切割式弹丸注入器。该弹丸注入器一次能制备和发射40粒弹丸，注入频率高达30Hz，弹丸直径1.3mm，长度1.3~1.7mm可调，注入速度150~800m/s。利用该弹丸注入器能提供稳定、可靠的多发弹丸注入。

　　目前在HL-2A装置上有弱场侧和强场侧弹丸注入两种方式。弱场侧(Low-Field-Side，LFS)弹丸注入采用直线型导管传输弹丸，而强场侧弹丸注入采用曲线导管传输弹丸，结构相对较复杂，图1所示为HL-2A装置弹丸弱场侧注入和强场侧注入示意图。

图1　HL-2A装置弱场侧和强场侧弹丸注入示意图

　　HL-2A装置以前并未考虑强场侧注入所需空间，因此受到真空室内外空间结构的限制。经过核对装置的有关图纸并进行现场勘测，确定强场侧注入导管通过真空室上倾斜面5300mm的法兰倾斜插入真空室，穿越上偏滤器护板上方后沿真空室内壁垂直向下，在距等离子体中平面上方约210mm处进行强场侧倾斜注入，出口与装置中平面成35°夹角。整个曲线导管成倒勺形，总长约7m，最小曲率半径为100mm，最大曲率半径为1200mm。曲线导管采用工业级抛光不锈钢管，粗糙度0.3um，内径8mm，壁厚1mm。曲线导管安装前对内壁先经过化学去油，然后用纯酒精进行去水处理后，再加热管道使导管干燥，在导管外表面均匀缠绕绝缘带后安装到真空室内部。

　　为了便于在强场侧和弱场侧切换注入方向，在弹丸注入器二级真空扩散室内安装了一套简易的切换器，结构如图2所示。

图2　切换器结构示意图

　　切换器主要由焊接波纹管，枪管固定环，螺杆，螺母等组成。利于焊接波纹管伸缩余量大的特点，缓慢旋转螺母，使螺杆向上移动的同时将枪管也向上移动，到达事先确定的位置停止旋转螺母，这样就能保证枪管准确对准不同方向的注入管道，实现弹丸注入方向的切换。

2、强场侧注入导管的结构设计

　　由于采用曲线导管传输弹丸，结构相对较复杂。弹丸在曲线导管中运动时必须克服碰撞和离心力的影响，因此导管的设计难点在于弹丸注入速度及曲率半径的确定，同时弹丸尺寸、冻丸强度及温度等也是影响弹丸在曲线导管运动中是否能保持完整的因素。

　　根据HL-2A装置的空间结构及现场勘测，整个导管由两部分组成，如图3所示，导管最大曲率半径1200mm，最小曲率半径100mm，总长约7m。为验证各导管曲率半径设计是否合理，分别采用碰撞模型和离心模型描述弹丸在上升阶段(第I部分)和下降阶段(第II部分)。

图3　曲线导管结构示意图

2.1、碰撞模型描述弹丸上升阶段

　　根据参考文献，采用碰撞模型来描述弹丸在曲线导管第I部分的上升阶段。如图4所示。

图4　弹丸在上升导管中的碰撞模型

　　从图4可知，当弹丸对于导管的垂直速度(vperp)大于一个极限值时，弹丸将会破碎。弹丸注入速度(v)与vperp的关系为

　　式中，H，D，d，R分别为弹丸碰撞角度，曲线导管内径，弹丸直径，曲线导管曲率半径。在文献中，理论计算出的vperp最大为20m/s。图5是采用碰撞模型计算出的导管曲率半径与弹丸注入速度之间的关系示意图。

　　从图5可知，曲率半径在1200mm时，弹丸在上升阶段时，允许弹丸通过的最大速度约185m/s。

图5　碰撞模型计算出的曲率半径与弹丸速度之间的关系

2.2、离心模型描述弹丸下降阶段

　　采用离心模型来描述弹丸在曲线导管中的下降阶段，即导管II。弹丸在此阶段中由于受到离心力的影响，弹丸是沿导管外壁滑动运行，为方便计算，假设摩擦力忽略不计。曲线导管的最小曲率半径可由下列公式得

　　式中，Rmin为曲线导管的最小曲率半径；m为氘弹丸质量(直径1.3mm×1.7mm，4.5×10^-7 kg；v为弹丸初始注入速度(200m/s)；A为弹丸与管壁有效接触面积(3.5×10^-6 m²)；D为固体氘弹丸应力极限(3×10⁵~5×10⁵N/m²)。将各项参数代入式(3)可得曲线导管最小曲率半径

Rmin=17.3mm

　　安装的曲线导管最小曲率半径为100mm，远大于17mm，因此理论上弹丸在速度200m/s时，受离心力作用导致弹丸破碎的可能性较小。在多次进行强场侧弹丸注入实验时，当初始注入速度低于200m/s，弹丸较为完整地注入到等离子体中；当初始注入速度高于200m/s时，弹丸几乎成为散弹注入到等离子体中。终上所述，从理论计算和实验结果表明，各部分导管的曲率半径的取值较为合理。

3、强场侧弹丸注入初步实验结果

　　2011年下半年物理实验中尝试了多发小弹丸(直径1.3mm×1.3mm)强场侧注入。在第17922#放电实验中，弹丸注入初速度200m/s，间隔70ms连续注入了五发弹丸，如图6所示。从图中可以看出，第一、三、四、五发弹丸能较完整地注入到等离子体中，等离子体中心线平均密度增量约0.35×10¹⁹ m^-3，但第二发弹丸可能在7m长的曲线导管中被汽化或部分破碎以至于等离子体中心线平均密度几乎不增长。在多次的实验中，比较了强弱场弹丸注入后等离子体中心线平均密度增幅，似乎两者增幅差不多，这有可能是弹丸在7m长的曲线导管中被部分汽化，估测弹丸在导管中的质量损失约30%。

图6　强场侧弹丸注入后的等离子体中心线平均密度变化曲线

　　在第17854#放电实验中，弹丸注入初速度200m/s，单个弹丸注入后等离子体中心线平均密度增加量约ne=1×10¹⁹ m^-3，而在弱场侧注入同样大小的弹丸后等离子体中心线平均密度增加量约ne=0.5×10¹⁹ m^-3，如图7所示，从图中可看出，强场侧弹丸注入有效增加等离子体中心线平均密度50%左右，明显提高了弹丸加料效率。

图7　强弱场侧弹丸注入后线平均密度增幅比较

4、结论

　　为了获得高的加料效率和开展各类丰富与之关的物理实验，在HL-2A装置上已开展了强场侧弹丸注入实验，取得了初步实验结果。采用这种先进的加料手段能有效增加等离子体密度，提高弹丸加料效率，目前，等离子体中心线电子平均密度最大增量约1.0×10¹⁹ m^-3。

　　在以往实验中，弱场侧弹丸注入后有时妨碍某些参数如密度的测量，这除了与弹丸速度和尺寸有关外，还与放电等离子体参数有关。但在多次的强场侧弹丸注入实验中，弹丸注入后对密度的测量影响较小，可能是由于注入到等离子体中的弹丸注入深度较深和弹丸较小。注入深度较深是由于弹丸消融物质沿大半径方向漂移；弹丸较小主要是由于弹丸在7m长的曲线导管中被部分汽化或破碎，估测弹丸在导管中的质量损失约30%。

　　由于首次开展强场侧弹丸注入实验，导管内径及弹丸注入速度大小的选择还需进一步通过实验来确定，下一步将进一步完善该系统，在曲线导管上安装弹丸诊断系统，如弹丸质量测量及速度测量等。