EAST装置加料速率标定及应用

黄 明，李成龙，左桂忠 ，吴金华，曹 斌，庄会东，陈 跃，余耀伟，王 勇，徐宏亮*，胡建生*

（1.中国科学技术大学，合肥 230026；2.中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所，合肥 230031）

0 引言

随着能源消耗的增加，核能的发展能够极大改善能源缺乏的困境。目前运行的核电站均为裂变核电站。裂变核电站产生的核废料放射性高、半衰期长、处理难度高，极易形成放射性污染。相对于核裂变，核聚变具有能量更高、原料来源简单易获取（海水可提取D、氚（T））以及无放射性污染等优点，是未来的理想能源。可控核聚变一直是国际上的研究热点。目前国际主流可控核聚变装置采用的是磁约束方式托卡马克装置。目前托卡马克装置的加料方式主要有普通充气[1]、超声分子束注入（SMBI）[2]、D弹丸注入[3]和紧凑环等方式。其中普通充气具有结构简单、安装操作容易以及成本低等优点，作为基本加料方式已经应用于所有托卡马克装置中。超声分子束注入具有注入深度更深、响应更快的特点，目前已经成功应用于EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）[4]与 HL-2A[5]。

EAST是世界上第一个非圆截面、全超导托卡马克装置[6]，具有和国际热核聚变堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）类似的磁场结构、加热方式、运行模式和钨偏滤器结构。其主要设计目标是为下一代高功率、长脉冲等离子体运行的聚变装置（如ITER、CFETR）的设计提供前期预演[7]。主要设计参数为：主半径R=1.85 m，小半径a=0.45 m，等离子体最大电流Ip=1 MA，最大放电脉冲时长大于1 000 s[8-9]。EAST目前常用加料方式有普通充气和超声分子束注入。普通充气由于利用稳压罐与主真空室压差驱动D2注入，配合压电阀共同实现加料，因此注入速度低，注入的绝大部分D2在刮削层（SOL）就已经被电离，沿着磁力线输运到偏滤器区域被抽除，难以到达等离子体芯部[10]，从而导致加料效率较低。因此边界等离子体物理的研究过程中也常用到普通充气系统[11]。比如低杂波辅助加热系统、离子回旋加热系统工作时充入一定量的D2可以改善低杂波与等离子体的耦合从而增加加热效率[1，12]。在偏滤器区域充入 Ne、Ar、SiD4和CD4等杂质气体研究等离子体脱靶[13]和边界局域模（ELM）缓解等前沿等离子体物理问题[14]。在中平面充入少量Ar还可以用于一些诊断系统的工作，如弯晶谱仪等。因此需要对普通充气系统的气体注入量与注入速率进行校准标定，从而实现精准的等离子控制和物理现象分析。超声分子束注入由脉冲电磁阀控制，由于注入的气体被加速到超声速，注入等离子体深度相对普通充气更深、响应更快、加料效率更高，常用作等离子体密度反馈调节，同时也能用作偏滤器反馈脱靶充气。本文重点研究EAST中不同加料手段的加料速率与加料效率，并应用于EAST一百秒一亿摄氏度等离子体放电实验中。

1 加料速率标定

1.1 普通充气系统及速率标定

EAST普通充气系统可分为以下几个子系统：（1）主充气系统，用于等离子体加料和等离子体密度反馈控制；（2）低杂波充气系统与离子回旋充气系统，用于改善低杂波、离子回旋波与等离子体的耦合从而实现更高加热效率；（3）偏滤器杂质注入充气系统，用于研究等离子体脱靶与ELM抑制等；（4）用作其他用途的充气系统，如用于弯晶谱仪诊断测量的Ar充气系统。所有普通充气系统均采用压电晶体阀控制。压电阀的电压大小直接与充气量和速率相关。图1反映了装置中用作不同用途的充气系统的位置。普通充气系统工作原理如图1所示，稳压罐（如JHG1）通过压电阀（如JHPEV3）与主真空室相连接。实验中通过控制压电阀的电压来调节进气量。

图1 EAST普通充气系统结构示意图Fig.1 The structural diagram of gas puffing system on EAST

实验中对普通充气子系统的压电阀进行不同电压、不同脉冲宽度下的充气速率标定。在标定过程中，为了避免干扰，每个压电阀单独标定测试。压电阀的电压一共设置6组，分别为3.5 V、3.8 V、4 V、4.2 V、4.4 V和4.6 V，电压增益倍数为20倍。在同一电压下，设置5组脉宽长度，分别为10 ms、20 ms、30 ms、40 ms和50 ms。在脉冲注入的同时，实时监测稳压罐的压力。根据理想气体状态方程：

可知，在温度恒定时，稳压罐内的气体压力变化与粒子数变化量成正比，即：

式中：p为稳压罐内压力；V为稳压罐标准体积；n为稳压罐内粒子数；R为摩尔气体常数；T为稳压罐内气体温度。其中，稳压罐的体积事先利用标准罐体进行标定，标定过程中将稳压罐与真空室之间的注入管道体积考虑在内，以减小注入管道体积对标定结果产生的影响。

通过式（2）可以由加料期间稳压罐内气体压力变化计算出注入到主真空室的粒子数。由于稳压罐设置了自动补气系统，稳压罐压力一般稳定在1.8×105～2×105Pa。每个稳压罐由差压规实时监测压力变化，监测范围为0～2×105Pa。由于单个脉冲时间很短，可以认为在单个脉冲时间内，D2的注入速率恒定。由于压电阀在EAST外围，磁场对压电阀的影响较弱，实验中并未发现磁场对电磁阀的干扰，保证了实验数据的准确性与装置运行的安全性。

图2为低杂波充气系统压电阀的电压大小与充气量和充气速率的关系。可以看出，压电阀的电压依次从3.5 V调整到4.6 V。每个电压数值脉冲时长依次从10 ms增长到50 ms。同一电压充气速率与脉冲宽度基本呈正相关。脉冲宽度越大，充气速率越高。图3为不同压电阀在不同电压、脉冲时长条件下的D2注入速率。从图3（d）（e）可以看出，在相同的电压下，充气速率虽然随着脉冲宽度增加而增加，但是增幅越来越小。例如在4 V电压下，脉冲宽度从10 ms增加到20 ms，充气速率从约0.67×1021D原子/s增加到约1.28×1021D原子/s，净增幅为0.61×1021D原子/s；当脉冲幅度依次增加10 ms到50 ms脉宽时，充气速率增幅依次为约0.55×1021D原子/s、约 0.48×1021D 原子/s、约 0.41×1021D 原子/s。这表明当电压一定时，即阀门开度一定时，脉冲宽度对充气速率增加的作用逐渐减弱。

图2 低杂波充气系统压电阀的电压大小与充气量和充气速率的关系Fig.2 Relationship between voltage of piezoelectric valve and puffing amounts and puffing rate in low hybrid wave system

图3为不同普通充气系统的压电阀电压、脉冲宽度与充气速率的关系。从图3（a）～（f）可以看出，在相同的脉宽下，压电阀电压越高，即阀门开度越大，充气速率越高，随着电压的增高，充气速率增长变缓。这意味阀门开度增加在一定程度上对充气速率增加是有益的，可以弥补脉宽长度不够带来的充气速率不足。主充气系统的电压、脉宽与充气速率总体上呈正相关。但是与其他普通充气系统相比，充气速率与电压、脉宽的关系有较大的波动。可能的原因是，主充气系统压电阀频繁使用，产生一定的磨损从而对校准带来一定的误差。通过控制压电阀电压跟脉冲宽度，可以实现对充气速率更精确的控制。这对于未来的等离子体密度反馈控制以及其他物理实验开展提供了数据支持。

图3 不同充气系统的压电阀在不同电压、不同脉冲时长时的D2注入速率Fig.3 The puffing rate of D2of piezoelectric valves in different puffing system at different voltages and pulse times

1.2 超声分子束加料充气速率标定

SMBI具有响应快、注入等离子体深度更深以及加料效率高等优点，因此常用于等离子体密度的反馈调节。EAST目前用于等离子体加料的SMBI系统一共有两套，分别位于J、C窗口低场侧中平面附近。SMBI采用体积为300 mL的前级稳压罐用于实时充气，后端采用更大体积罐体用于放电结束后对稳压罐气体进行补充。利用拉法尔喷嘴原理将气体速度提升至超声速以注入等离子体，通过脉冲电磁阀实现脉冲式注入。为了减少磁场对电磁阀的影响，对SMBI的阀门加装电磁屏蔽套。SMBI加料的结构示意图如图4所示。

图4 SMBI示意图Fig.4 The structural diagram of SMBI system

在超声分子束注入速率的标定中，利用稳压罐的体积变化计算出实时的充气量（式（2））和速率（对充气量随时间演化求微分），除以充气的脉冲信号（控制信号）对时间的积分可以得到充气速率。图5为SMBI充气过程中稳压罐内压力随时间的演化和SMBI注入信号演化。通过计算可以得到每个SMBI脉冲D原子注入量约为2.9×1017。

图5 超声分子束注入稳压罐压力演化与超声分子束注入脉冲信号演化Fig.5 The evolution of the pressure of SMBI as time and the evolution of the signal of SMBI injection as time

2 加料速率在等离子体放电相关计算中的应用

2.1 超声分子束注入加料效率计算

图6为一次欧姆放电过程中超声分子束注入对等离子体密度的补偿过程。其中等离子体中D的数量由等离子体密度（Point密度诊断系统测量得到）与EFIT（等离子体平衡重建程序）反演得到的等离子体体积相乘得到。而SMBI注入的D原子数量由式（2）计算出。从图6（a）（b）可以看出，在稳定的等离子放电过程中，超声分子束的注入会直接引起密度的增加。取每次超声分子束注入前后的等离子体中D数量的变化量除以该次超声分子束注入D的总量作为加料效率，如式（3）。

式中：η为加料效率；ΔNe为等离子体增量；Np为加料量。

如图6（c）所示，通过式（3）可以计算出超声分子束注入的加料效率为7%～15%。

图6 超声分子束注入的等离子密度补偿和加料效率Fig.6 Plasma density compensation and puffing efficiency of SMBI

2.2 放电中累积加料粒子数的计算

在EAST最新一百秒一亿摄氏度的长脉冲等离子体放电中，通过不同加料方式协同作用实现稳定的长脉冲等离子体放电。图7为不同加料方式（如普通充气、低杂波充气、SMBI充气等）充气量随时间的演化。充气加料过程中的加料粒子控制可由式（4）给出。

式中：Qall为总的充气量；QGI为普通充气量；QLHW为低杂波充气量；QSMBI为超声分子束注入量。每一项的充气量可由加料罐体实时采集的压力变化经式（1）（2）计算得到。

从图7可以看出，等离子体密度在不同加料方式协同作用下基本维持稳定。从60 s开始充气基本停止，但是等离子体密度依然得到很好的维持。这说明在长脉冲放电后期，燃料粒子的再循环[15]很严重，甚至可以在不加料的情况下维持等离子体密度。为长脉冲等离子放电实验提供了参考。

图7 一百秒一亿摄氏度等离子体放电充气演化Fig.7 The evolution of puffing during the plasma 100 seconds 100million degrees Celsius

3 总结

通过对EAST装置中普通充气系统的充气速率在不同压电阀电压、脉冲宽度下的标定，确定了充气速率与电压、脉冲宽度的关系。实验发现充气速率与压电阀电压、脉冲宽度呈正相关。在相同的电压下，脉冲宽度越大，充气速率越大，充气速率的增幅越来越小。在相同的脉宽下，压电阀电压越高，即阀门开度越大，充气速率越大，充气速率增大速率变缓。通过控制脉宽与压电阀电压，能够精确地控制普通充气的注入速率。

通过对SMBI单个脉冲进气量进行标定，确定了SMBI单个脉冲进气量约为2.9×1017。计算得出SMBI在欧姆放电条件下的加料效率为7%～15%。对SMBI的充气速率与加料效率的标定有利于实现使用SMBI对等离子体密度进行更精确控制与调制。已经在EAST中百秒量级一亿摄氏度等离子体放电中得到应用，为等离子体密度反馈控制以及其他物理实验开展提供了数据支持。