EAST裝置加料速率標定及應用

黃 明，李成龍，左桂忠 ，吳金華，曹 斌，莊會東，陳 躍，余耀偉，王 勇，徐宏亮*，胡建生*

（1.中國科學技術大學，合肥 230026；2.中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所，合肥 230031）

0 引言

隨著能源消耗的增加，核能的發展能夠極大改善能源缺乏的困境。目前運行的核電站均為裂變核電站。裂變核電站產生的核廢料放射性高、半衰期長、處理難度高，極易形成放射性污染。相對于核裂變，核聚變具有能量更高、原料來源簡單易獲取（海水可提取D、氚（T））以及無放射性污染等優點，是未來的理想能源。可控核聚變一直是國際上的研究熱點。目前國際主流可控核聚變裝置采用的是磁約束方式托卡馬克裝置。目前托卡馬克裝置的加料方式主要有普通充氣[1]、超聲分子束注入（SMBI）[2]、D彈丸注入[3]和緊湊環等方式。其中普通充氣具有結構簡單、安裝操作容易以及成本低等優點，作為基本加料方式已經應用于所有托卡馬克裝置中。超聲分子束注入具有注入深度更深、響應更快的特點，目前已經成功應用于EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）[4]與 HL-2A[5]。

EAST是世界上第一個非圓截面、全超導托卡馬克裝置[6]，具有和國際熱核聚變堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）類似的磁場結構、加熱方式、運行模式和鎢偏濾器結構。其主要設計目標是為下一代高功率、長脈沖等離子體運行的聚變裝置（如ITER、CFETR）的設計提供前期預演[7]。主要設計參數為：主半徑R=1.85 m，小半徑a=0.45 m，等離子體最大電流Ip=1 MA，最大放電脈沖時長大于1 000 s[8-9]。EAST目前常用加料方式有普通充氣和超聲分子束注入。普通充氣由于利用穩壓罐與主真空室壓差驅動D2注入，配合壓電閥共同實現加料，因此注入速度低，注入的絕大部分D2在刮削層（SOL）就已經被電離，沿著磁力線輸運到偏濾器區域被抽除，難以到達等離子體芯部[10]，從而導致加料效率較低。因此邊界等離子體物理的研究過程中也常用到普通充氣系統[11]。比如低雜波輔助加熱系統、離子回旋加熱系統工作時充入一定量的D2可以改善低雜波與等離子體的耦合從而增加加熱效率[1，12]。在偏濾器區域充入 Ne、Ar、SiD4和CD4等雜質氣體研究等離子體脫靶[13]和邊界局域模（ELM）緩解等前沿等離子體物理問題[14]。在中平面充入少量Ar還可以用于一些診斷系統的工作，如彎晶譜儀等。因此需要對普通充氣系統的氣體注入量與注入速率進行校準標定，從而實現精準的等離子控制和物理現象分析。超聲分子束注入由脈沖電磁閥控制，由于注入的氣體被加速到超聲速，注入等離子體深度相對普通充氣更深、響應更快、加料效率更高，常用作等離子體密度反饋調節，同時也能用作偏濾器反饋脫靶充氣。本文重點研究EAST中不同加料手段的加料速率與加料效率，并應用于EAST一百秒一億攝氏度等離子體放電實驗中。

1 加料速率標定

1.1 普通充氣系統及速率標定

EAST普通充氣系統可分為以下幾個子系統：（1）主充氣系統，用于等離子體加料和等離子體密度反饋控制；（2）低雜波充氣系統與離子回旋充氣系統，用于改善低雜波、離子回旋波與等離子體的耦合從而實現更高加熱效率；（3）偏濾器雜質注入充氣系統，用于研究等離子體脫靶與ELM抑制等；（4）用作其他用途的充氣系統，如用于彎晶譜儀診斷測量的Ar充氣系統。所有普通充氣系統均采用壓電晶體閥控制。壓電閥的電壓大小直接與充氣量和速率相關。圖1反映了裝置中用作不同用途的充氣系統的位置。普通充氣系統工作原理如圖1所示，穩壓罐（如JHG1）通過壓電閥（如JHPEV3）與主真空室相連接。實驗中通過控制壓電閥的電壓來調節進氣量。

圖1 EAST普通充氣系統結構示意圖Fig.1 The structural diagram of gas puffing system on EAST

實驗中對普通充氣子系統的壓電閥進行不同電壓、不同脈沖寬度下的充氣速率標定。在標定過程中，為了避免干擾，每個壓電閥單獨標定測試。壓電閥的電壓一共設置6組，分別為3.5 V、3.8 V、4 V、4.2 V、4.4 V和4.6 V，電壓增益倍數為20倍。在同一電壓下，設置5組脈寬長度，分別為10 ms、20 ms、30 ms、40 ms和50 ms。在脈沖注入的同時，實時監測穩壓罐的壓力。根據理想氣體狀態方程：

可知，在溫度恒定時，穩壓罐內的氣體壓力變化與粒子數變化量成正比，即：

式中：p為穩壓罐內壓力；V為穩壓罐標準體積；n為穩壓罐內粒子數；R為摩爾氣體常數；T為穩壓罐內氣體溫度。其中，穩壓罐的體積事先利用標準罐體進行標定，標定過程中將穩壓罐與真空室之間的注入管道體積考慮在內，以減小注入管道體積對標定結果產生的影響。

通過式（2）可以由加料期間穩壓罐內氣體壓力變化計算出注入到主真空室的粒子數。由于穩壓罐設置了自動補氣系統，穩壓罐壓力一般穩定在1.8×105～2×105Pa。每個穩壓罐由差壓規實時監測壓力變化，監測范圍為0～2×105Pa。由于單個脈沖時間很短，可以認為在單個脈沖時間內，D2的注入速率恒定。由于壓電閥在EAST外圍，磁場對壓電閥的影響較弱，實驗中并未發現磁場對電磁閥的干擾，保證了實驗數據的準確性與裝置運行的安全性。

圖2為低雜波充氣系統壓電閥的電壓大小與充氣量和充氣速率的關系。可以看出，壓電閥的電壓依次從3.5 V調整到4.6 V。每個電壓數值脈沖時長依次從10 ms增長到50 ms。同一電壓充氣速率與脈沖寬度基本呈正相關。脈沖寬度越大，充氣速率越高。圖3為不同壓電閥在不同電壓、脈沖時長條件下的D2注入速率。從圖3（d）（e）可以看出，在相同的電壓下，充氣速率雖然隨著脈沖寬度增加而增加，但是增幅越來越小。例如在4 V電壓下，脈沖寬度從10 ms增加到20 ms，充氣速率從約0.67×1021D原子/s增加到約1.28×1021D原子/s，凈增幅為0.61×1021D原子/s；當脈沖幅度依次增加10 ms到50 ms脈寬時，充氣速率增幅依次為約0.55×1021D原子/s、約 0.48×1021D 原子/s、約 0.41×1021D 原子/s。這表明當電壓一定時，即閥門開度一定時，脈沖寬度對充氣速率增加的作用逐漸減弱。

圖2 低雜波充氣系統壓電閥的電壓大小與充氣量和充氣速率的關系Fig.2 Relationship between voltage of piezoelectric valve and puffing amounts and puffing rate in low hybrid wave system

圖3為不同普通充氣系統的壓電閥電壓、脈沖寬度與充氣速率的關系。從圖3（a）～（f）可以看出，在相同的脈寬下，壓電閥電壓越高，即閥門開度越大，充氣速率越高，隨著電壓的增高，充氣速率增長變緩。這意味閥門開度增加在一定程度上對充氣速率增加是有益的，可以彌補脈寬長度不夠帶來的充氣速率不足。主充氣系統的電壓、脈寬與充氣速率總體上呈正相關。但是與其他普通充氣系統相比，充氣速率與電壓、脈寬的關系有較大的波動。可能的原因是，主充氣系統壓電閥頻繁使用，產生一定的磨損從而對校準帶來一定的誤差。通過控制壓電閥電壓跟脈沖寬度，可以實現對充氣速率更精確的控制。這對于未來的等離子體密度反饋控制以及其他物理實驗開展提供了數據支持。

圖3 不同充氣系統的壓電閥在不同電壓、不同脈沖時長時的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 超聲分子束加料充氣速率標定

SMBI具有響應快、注入等離子體深度更深以及加料效率高等優點，因此常用于等離子體密度的反饋調節。EAST目前用于等離子體加料的SMBI系統一共有兩套，分別位于J、C窗口低場側中平面附近。SMBI采用體積為300 mL的前級穩壓罐用于實時充氣，后端采用更大體積罐體用于放電結束后對穩壓罐氣體進行補充。利用拉法爾噴嘴原理將氣體速度提升至超聲速以注入等離子體，通過脈沖電磁閥實現脈沖式注入。為了減少磁場對電磁閥的影響，對SMBI的閥門加裝電磁屏蔽套。SMBI加料的結構示意圖如圖4所示。

圖4 SMBI示意圖Fig.4 The structural diagram of SMBI system

在超聲分子束注入速率的標定中，利用穩壓罐的體積變化計算出實時的充氣量（式（2））和速率（對充氣量隨時間演化求微分），除以充氣的脈沖信號（控制信號）對時間的積分可以得到充氣速率。圖5為SMBI充氣過程中穩壓罐內壓力隨時間的演化和SMBI注入信號演化。通過計算可以得到每個SMBI脈沖D原子注入量約為2.9×1017。

圖5 超聲分子束注入穩壓罐壓力演化與超聲分子束注入脈沖信號演化Fig.5 The evolution of the pressure of SMBI as time and the evolution of the signal of SMBI injection as time

2 加料速率在等離子體放電相關計算中的應用

2.1 超聲分子束注入加料效率計算

圖6為一次歐姆放電過程中超聲分子束注入對等離子體密度的補償過程。其中等離子體中D的數量由等離子體密度（Point密度診斷系統測量得到）與EFIT（等離子體平衡重建程序）反演得到的等離子體體積相乘得到。而SMBI注入的D原子數量由式（2）計算出。從圖6（a）（b）可以看出，在穩定的等離子放電過程中，超聲分子束的注入會直接引起密度的增加。取每次超聲分子束注入前后的等離子體中D數量的變化量除以該次超聲分子束注入D的總量作為加料效率，如式（3）。

式中：η為加料效率；ΔNe為等離子體增量；Np為加料量。

如圖6（c）所示，通過式（3）可以計算出超聲分子束注入的加料效率為7%～15%。

圖6 超聲分子束注入的等離子密度補償和加料效率Fig.6 Plasma density compensation and puffing efficiency of SMBI

2.2 放電中累積加料粒子數的計算

在EAST最新一百秒一億攝氏度的長脈沖等離子體放電中，通過不同加料方式協同作用實現穩定的長脈沖等離子體放電。圖7為不同加料方式（如普通充氣、低雜波充氣、SMBI充氣等）充氣量隨時間的演化。充氣加料過程中的加料粒子控制可由式（4）給出。

式中：Qall為總的充氣量；QGI為普通充氣量；QLHW為低雜波充氣量；QSMBI為超聲分子束注入量。每一項的充氣量可由加料罐體實時采集的壓力變化經式（1）（2）計算得到。

從圖7可以看出，等離子體密度在不同加料方式協同作用下基本維持穩定。從60 s開始充氣基本停止，但是等離子體密度依然得到很好的維持。這說明在長脈沖放電后期，燃料粒子的再循環[15]很嚴重，甚至可以在不加料的情況下維持等離子體密度。為長脈沖等離子放電實驗提供了參考。

圖7 一百秒一億攝氏度等離子體放電充氣演化Fig.7 The evolution of puffing during the plasma 100 seconds 100million degrees Celsius

3 總結

通過對EAST裝置中普通充氣系統的充氣速率在不同壓電閥電壓、脈沖寬度下的標定，確定了充氣速率與電壓、脈沖寬度的關系。實驗發現充氣速率與壓電閥電壓、脈沖寬度呈正相關。在相同的電壓下，脈沖寬度越大，充氣速率越大，充氣速率的增幅越來越小。在相同的脈寬下，壓電閥電壓越高，即閥門開度越大，充氣速率越大，充氣速率增大速率變緩。通過控制脈寬與壓電閥電壓，能夠精確地控制普通充氣的注入速率。

通過對SMBI單個脈沖進氣量進行標定，確定了SMBI單個脈沖進氣量約為2.9×1017。計算得出SMBI在歐姆放電條件下的加料效率為7%～15%。對SMBI的充氣速率與加料效率的標定有利于實現使用SMBI對等離子體密度進行更精確控制與調制。已經在EAST中百秒量級一億攝氏度等離子體放電中得到應用，為等離子體密度反饋控制以及其他物理實驗開展提供了數據支持。