HL-2A装置挤压切割弹丸注入器及其工程调试
与俄罗斯培林实验室共同研制的挤压切割弹丸注入器现已研制完成并安装在HL-2A 装置上。该弹丸注入器一次能制备和发射40 粒弹丸, 注入频率高达30 Hz, 弹丸直径1.3 mm, 长度1.3~ 1.7 mm 可调, 注入速度150~ 800 m/ s。本文主要介绍了挤压切割弹丸注入器的构成、工作原理及工程调试结果, 并给出了HL-2A 装置上的加料实验结果。
注入弹丸不仅可以补充放电中消耗的燃料粒子, 同时弹丸注入也作为重要的等离子体实验手段,可用它有效调节等离子体的参数分布, 实现改善约束、提高辅助加热效率的目的[1]。现代核聚变研究中需要高可靠性和高重复性的弹丸注入来实现峰化密度分布和改善约束放电, 以便进行等离子体各种特性的深入研究。随着HL-2A 实验的深入和HL-2A装置的改造, 放电等离子体参数进一步提高和各种辅助加热手段的投入, 放电时间将更长, 要求注入更多的弹丸数量, 原用于HL1M 的八发弹丸注入器已不能完全满足物理实验的需要[2] 。为此核工业西南物理研究院与俄罗斯培林实验室( PELIN Laboratory Ltd. ) 联合研制了一套新的弹丸注入器, 工程调试已获得成功, 并于2010 年上半年首次应用到HL-2A 加料物理实验中。
1、挤压切割弹丸注入器的构成和工作原理
该挤压切割弹丸注入器由挤压切割系统、加速系统、推进气与丸料送气系统、真空扩散系统、诊断系统及自动控制系统等组成, 弹丸注入器整体结构示意如图1 所示。
图1 弹丸注入器整体结构示意图
该弹丸注入器采用挤压切割技术, 由俄罗斯PELIN 实验室研发[3] 。图2 是挤压切割系统结构示意图, 系统主要由真空室、挤压驱动器、低温热交换器、快速电磁阀、横向切割管、压力和温度传感器及弹丸长度调节器等组成, 其优点是弹丸尺寸可以根据实验要求进行调节, 注入弹丸数目多, 挤压出的“冰柱”屈服强度大, 切割成型时弹丸不易破碎, 因此可获得比“原位冷凝”式制丸更好的重复性和完整性。低温系统采用循环制冷机作为冷源, 能更好的为挤压腔建立需要的稳定的温度梯度, 有利于“冰柱”的形成。通常“原位冷凝”式制丸需要采用液氦,
图2 挤压切割系统结构示意图
由于液氦从异地供给, 不利于实验的安排, 采用循环制冷机后就能灵活地安排系统运行。循环制冷机为日本住友CSW-71D 压缩机与RDK-415D 冷头组成。冷头功率: 一级冷头50 K 时提供45 W, 二级冷头4.2 K 时提供1.5 W, 这样的功率可满足该注入器的冻丸需求。
可调节弹丸尺寸的活塞型挤压切割注入器工作原理: 先将整个系统进行抽真空后, 启动制冷机降温, 然后通过步进电机调节弹丸长度调节器上的楔块位置确定长方形冰柱的宽度( 即确定弹丸的长度) , 然后将室温丸料气源不断地引入低温挤压腔,丸料气在有温度梯度的挤压腔壁上冻结成霜雾状,同时挤压螺旋杆不断上下往返运动将霜在挤压器中挤压成长方形冰柱, 此阶段属于慢挤压固氢, 当活塞末端运动至喷口处, 弹丸制备第一阶段结束; 第二阶段来自外部启动信号, 当接受到信号, 活塞快速向下运动, 从而推进冰柱进入切割单元, 利用切割器上的高频切刀管往返运动将冰柱切割成一粒弹丸且送入枪管, 同时开启电磁快阀, 利用高压气加速弹丸, 多余的推进气则由真空扩散系统抽除, 如图3 所示。该弹丸注入器一次可制80 mm 长的冰柱, 最多切割成40 粒弹丸。
图3 可调节尺寸的活塞型挤压切割弹丸注入器工作运行原理
3、结论
挤压切割弹丸注入器用氘气做丸料气, 采用挤压切割技术制丸, 成功制造并发射了氘弹丸, 在HL-2A 装置首次应用该弹丸注入器进行了弹丸注入实验取得初步成果。弹丸注入器工程调试结果表明:注入器设计合理, 工作运行正常、可靠; 制丸重复性和完整性好, 发射与传输过程中弹丸质量损失小; 真空扩散室对推进气有很好的抽除能力, 主要设计目标已经达到。在本次工程调试中, 弹丸速度最大达620 m/ s, 平均弹丸尺寸误差小于4%。
参考文献
[1] 徐红兵. 基于循环制冷机的弹丸注入器方案设计与实验构想[ D] . 四川: 核工业西南物理研究院, 2007
[2] 徐红兵, 刘德权, 肖正贵, 等. HL-2A 装置中基于循环制冷机的弹丸发射器方案设计[ J] . 核聚变与等离子体物理, 2007, 27( 1) : 131
[3] Vinyar I V. Pellet Injector for HL-2A Tokamak[M] . MoscowRussia: Pelin laboratory, LTD, 2007
[4] 肖正贵, 孙文哲, 刘德权, 等. HL-1 装置弹丸发射系统的研制[ J] . 真空科学与技术学报, 1993, 13( 6) : 395- 396
[5] 成永军, 李得天, 张涤新. 极高真空校准室内残余气体的成分分析[ J] . 真空科学与技术学报, 2010, 30( 1) : 54- 58
