出口内置式等离子体破裂防护快速充气阀的研制
为了进一步缩短阀门的充气时间，在外置式快阀成功研制的基础上，中科院等离子体物理研究所又成功研制出了出口安装在装置内部的快速充气阀，该阀在保留外置式快阀快响应、大流量优点的基础上，把阀门气体出口位置设计为可安装到装置内部，这种结构设计一方面避免了由于采用管道而导致的时间延迟，缩短了充气时间，另外一方面也提高了出口气体的压力，更有利于等离子体破裂缓解。该阀的成功研制不仅为先进超导托卡马克装置开展等离子体破裂缓解研究提供了有效的工具，也使实时的等离子体破裂缓解成为了可能，更为未来大中型托卡马克装置开展类似的研究提供了有益的借鉴。
托卡马克装置是人类目前最可能实现核聚变能发电的装置。在托卡马克装置放电过程中，由于等离子体不稳定性等原因，经常会发生放电突然终止的事件，也就是所谓的等离子体破裂；破裂会对托卡马克装置造成很大的危害，主要表现在以下三个方面：装置壁局部遭受很强的热负载；在电流猝灭阶段，尤其是发生垂直不稳定性时，装置壁及其支撑机构将遭受很强的电磁力负载；等离子体破裂发生时，在环向会产生很强的环向电压，该电压会加速部分电子成为高能超热电子，该高能电子逃脱磁场束缚会损失到壁上去，对壁造成很大的破坏；另外破裂发生时会发生强烈的等离子体与壁强相互作用而给装置真空室引入大量的难以清除的杂质粒子,会影响后续放电的正常进行。先进超导托卡马克(EAST) 是世界上第一个非圆界面全超导托卡马克装置，它与国际热核聚变堆(ITER) 有着相似的磁位型结构，因此在其上开展等离子体破裂缓解研究不仅对EAST 的安全运行至关重要，而且对IIER开展类似的研究有着借鉴意义。
研究发现，如果在等离子体破裂前迅速向装置内部注入一定量的杂质气体，则破裂带来的危害将会得到很大程度的缓解，从而对装置起到保护作用。为了满足在EAST 上开展高压气体注入对等离子体破裂影响的研究需求，靠涡流驱动的快速充气阀已经在中科院等离子体物理研究所研制成功[ 8] 。并且该阀已经成功的应用到EAST及HT-7(Hefei Tokamak-7) 破裂缓解实验研究中。为了进一步缩短充气时间，在该阀成功研制的基础上，把快阀设计成出口可以安装到装置内部，该种结构设计不仅大大缩短了快阀的充气时间，而且还提高了快阀出口气体的压力，更有利于等离子体破裂缓解。
1、出口内置式涡流驱动快阀原理及结构介绍
1.1、出口内置式快阀研制背景介绍
开展等离子体破裂缓解的前提是及时准确的等离子体破裂预测，但是由于等离子体破裂原因非常复杂，因此等离子体破裂预测是一件非常困难的事情,虽然绝大多数托卡马克装置都进行过相关的研究，也取得不错的研究成果，但是破裂预测提前量依然不是很大，因此，要实现实时的等离子体破裂缓解，必须有快速充气能力的充气系统，该系统要能在破裂预测提前量的时间内完成对即将破裂的等离子体充气,这样，充入的气体才能起到破裂缓解的效果。
为了满足在EAST上开展高压气体注入来缓解等离子体破裂研究的需求，靠涡流驱动的快速充气阀已经在中科院等离子体物理研究所研制成功，该阀是靠涡流电磁力驱动的，其主要核心部件是一个类似/ 蚊香0结构的平板螺旋线圈。当一个强脉冲电流通过线圈时，根据电磁感应原理可以得知，线圈上面的/工字型铝制阀芯就会受到一个强电磁力( 远大于阀芯的密封力) ，阀芯就会被弹开，工作腔室内部的气体就会从快阀出口进入到托卡马克装置内部。由于该电流是脉冲电流，因此，阀芯所受的力也为脉冲电磁力，所以当该电流消失后,电磁力随之消失，此时阀芯就会在腔室气体压力的作用下，回到初始位置，完成一次脉冲充气。其结构及原理如图1 所示。
图1 快阀结构及阀芯所受电磁力分析
1.2、外置式快阀在等离子破裂缓解中的初步应用
在2012 的EAST 春季实验中，利用该阀进行了充气实验研究，所有的实验均是向稳态放电的等离子体中注入一定量的惰性气体，研究充入气体对等离子体参数的影响。等离子体参数为: 偏滤器位型欧姆放电及低杂波放电，磁场Bt= 2.0 T，等离子电流I p= 400 kA，电子密度ne= 2.0 × 1019/ m3。快阀安装示意图如图2 所示，采用一个长度约1.8 m，内径为16 mm 的管道与快阀出口相连接，管道出口直接伸到装置内部限制器位置，并指向等离子体中心位置。
图2 外置式快阀与装置连接图
实验发现，注入的气体只能进入到等离子体边界区域，这可以从XUV 辐射分布图上可以得到，如图3 所示，这主要是由于注入的中性气体在等离子体边界区域就被电离成离子而随磁力线沿着边界的磁面运动，很难进入到等离子体芯部。
虽然注入的中性气体很难进入到等离子体芯部，但是，通过气体的注入，可以很大程度上提高热辐射强度，如图4 所示，为自然破裂和由于充气而导致破裂的比较，由数据可以看出，对比与自然破裂的情况，充气后最大辐射强度从5 变为20，辐射强度变为原来的四倍，在电流猝灭前等离子体温度已经从500 降低为100 eV，从而降低了等离子体温度，此时的等离子体如果撞到壁上去，则其对壁的破坏性将大为减小。
总结
内置式快阀在外置式快阀成功研制的基础上基本研制成功，经平台测试，其响应时间比外置式快阀稍长，但是也小于1 ms，这主要是由于采用了较长的阀芯结构而造成的，长阀芯结构同时也导致了需要很大的电磁力才能开启，这就需要更大容量的高压脉冲电容器来实现快速的开启。在外置式快阀脉冲电路的基础上，我们把其高压脉冲电容器提高到原来的10 倍，这样，在相同的电压条件下，电容器储能及电磁力都将变为原来的10 倍。经平台测定其响应时间小于1 ms；另外，由于采用强弹簧压力来提供预应力，因此，该阀不仅可以实现快速开启，而且还可以实现快速关闭，也就是充气脉宽短( 不大于5ms) ，这对破裂缓解时非常有利的，因为破裂缓解的要求是在破裂前充入一定量的气体，如果有部分气体在破裂后再充入，则此时充入的气体可能会对装置产生破坏作用；该阀的最大充气量则可以达到50000 Pa#L，这样，其响应时间及流量都可以满足EAST 超导托卡马克装置对破裂防护系统的要求。
该阀的成功研制，为在EAST 超导托卡马克装置上开展实时的等离子体破裂缓解实验提供了有效的工具，其实际功能将在下一轮的EAST 实验中进行进一步的检验。该阀的成功研制同时也为以后大中型托卡马克装置( 例如ITER) 开展这方面的研究提供了有益的借鉴。
