為了獲得更高的彈丸加料效率，在HL-2A裝置上開展了強(qiáng)場側(cè)彈丸注入。本文主要介紹了一種新的注入方式)強(qiáng)場側(cè)彈丸注入，詳細(xì)介紹了強(qiáng)場側(cè)彈丸注入的工程設(shè)計(jì)，同時(shí)也進(jìn)行了彈丸在導(dǎo)管中的數(shù)值模擬計(jì)算，最后給出了強(qiáng)場側(cè)彈丸注入初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　十多年前，國內(nèi)外很多聚變裝置上通常從弱場側(cè)進(jìn)行彈丸注入，采用直線型管道傳輸彈丸，在工程上較容易實(shí)現(xiàn)。目前彈丸注入速度較容易達(dá)到1km/s，并能保持較好的完整性注入到等離子體中。但這樣的初速度對于大型聚變堆如ITER芯部加料所要求的彈丸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，即使使用一些特殊的手段，如二級氣動(dòng)槍、電磁軌道槍、電子束加熱火箭效應(yīng)等加速彈丸，目前能獲得的最高彈丸速度只能達(dá)到5km/s。作者曾經(jīng)對ITER的芯部加料問題作了研究，發(fā)現(xiàn)彈丸要注入到ITER等離子體芯部要求初速度為8~30km/s，如此僅靠提高彈丸注入的初速度來解決芯部加料是困難的，因此必須積極尋找一種新的注入方式或加料技術(shù)。

　　Parks等研究了彈丸消融物質(zhì)沿大半徑方向漂移的理論模型，暗示如采用強(qiáng)場側(cè)彈丸注入能以較低的彈丸注入速度獲得較高的加料效率及注入深度。在ASDEX-U、JET和DIII-D等裝置實(shí)驗(yàn)中演示了從強(qiáng)場方向注入比在弱場方向注入時(shí)加料效果更顯著，優(yōu)越性更佳。ASDEX-U裝置在ELMy-H放電下，用較小的低速彈丸改善了加料效率，加料效率比弱場側(cè)注入時(shí)提高了4倍，彈丸注入深度至少增加2倍；DIII-D裝置上強(qiáng)場側(cè)注入彈丸速度只有弱場側(cè)注入彈丸速度的1/4，但注入后彈丸消融粒子沉積位置比弱場側(cè)彈丸注入深近1倍，加料效率也提高近1倍，高達(dá)95%。在強(qiáng)場側(cè)彈丸注入實(shí)驗(yàn)研究中也發(fā)現(xiàn)，它不僅僅增加了等離子體密度和提高了彈丸加料效率，而且利用強(qiáng)場側(cè)注入彈丸也能開展了許多方面的物理研究。如在DIII-D裝置上，通過中心NBI加熱，強(qiáng)場側(cè)彈丸注入后形成中心負(fù)剪切或中心低剪切改善等離子體性能；同時(shí)在該裝置上也發(fā)現(xiàn)通過強(qiáng)場側(cè)彈丸注入能誘發(fā)H模的形成，且能有效降低H模形成所需的加熱功率閾值的33%。最近在ASDEXUpgrade裝置上通過強(qiáng)場側(cè)彈丸注入后等離子體芯部密度超過格林沃爾德密度極限1.6倍，同時(shí)也能維持ELM的緩解。強(qiáng)場側(cè)彈丸注入已成為一種新的聚變加料方式應(yīng)用在國外許多托卡馬克裝置上，同時(shí)ITER也計(jì)劃采用強(qiáng)場側(cè)彈丸注入。因此，在HL-2A裝置也應(yīng)開展強(qiáng)場側(cè)彈丸注入實(shí)驗(yàn)。

1、強(qiáng)場側(cè)彈丸注入工程設(shè)計(jì)

　　在HL-2A裝置上配備有世界先進(jìn)的擠壓切割式彈丸注入器。該彈丸注入器一次能制備和發(fā)射40粒彈丸，注入頻率高達(dá)30Hz，彈丸直徑1.3mm，長度1.3~1.7mm可調(diào)，注入速度150~800m/s。利用該彈丸注入器能提供穩(wěn)定、可靠的多發(fā)彈丸注入。

　　目前在HL-2A裝置上有弱場側(cè)和強(qiáng)場側(cè)彈丸注入兩種方式。弱場側(cè)(Low-Field-Side，LFS)彈丸注入采用直線型導(dǎo)管傳輸彈丸，而強(qiáng)場側(cè)彈丸注入采用曲線導(dǎo)管傳輸彈丸，結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，圖1所示為HL-2A裝置彈丸弱場側(cè)注入和強(qiáng)場側(cè)注入示意圖。

圖1　HL-2A裝置弱場側(cè)和強(qiáng)場側(cè)彈丸注入示意圖

　　HL-2A裝置以前并未考慮強(qiáng)場側(cè)注入所需空間，因此受到真空室內(nèi)外空間結(jié)構(gòu)的限制。經(jīng)過核對裝置的有關(guān)圖紙并進(jìn)行現(xiàn)場勘測，確定強(qiáng)場側(cè)注入導(dǎo)管通過真空室上傾斜面5300mm的法蘭傾斜插入真空室，穿越上偏濾器護(hù)板上方后沿真空室內(nèi)壁垂直向下，在距等離子體中平面上方約210mm處進(jìn)行強(qiáng)場側(cè)傾斜注入，出口與裝置中平面成35°夾角。整個(gè)曲線導(dǎo)管成倒勺形，總長約7m，最小曲率半徑為100mm，最大曲率半徑為1200mm。曲線導(dǎo)管采用工業(yè)級拋光不銹鋼管，粗糙度0.3um，內(nèi)徑8mm，壁厚1mm。曲線導(dǎo)管安裝前對內(nèi)壁先經(jīng)過化學(xué)去油，然后用純酒精進(jìn)行去水處理后，再加熱管道使導(dǎo)管干燥，在導(dǎo)管外表面均勻纏繞絕緣帶后安裝到真空室內(nèi)部。

　　為了便于在強(qiáng)場側(cè)和弱場側(cè)切換注入方向，在彈丸注入器二級真空擴(kuò)散室內(nèi)安裝了一套簡易的切換器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　切換器結(jié)構(gòu)示意圖

　　切換器主要由焊接波紋管，槍管固定環(huán)，螺桿，螺母等組成。利于焊接波紋管伸縮余量大的特點(diǎn)，緩慢旋轉(zhuǎn)螺母，使螺桿向上移動(dòng)的同時(shí)將槍管也向上移動(dòng)，到達(dá)事先確定的位置停止旋轉(zhuǎn)螺母，這樣就能保證槍管準(zhǔn)確對準(zhǔn)不同方向的注入管道，實(shí)現(xiàn)彈丸注入方向的切換。

2、強(qiáng)場側(cè)注入導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　由于采用曲線導(dǎo)管傳輸彈丸，結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜。彈丸在曲線導(dǎo)管中運(yùn)動(dòng)時(shí)必須克服碰撞和離心力的影響，因此導(dǎo)管的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于彈丸注入速度及曲率半徑的確定，同時(shí)彈丸尺寸、凍丸強(qiáng)度及溫度等也是影響彈丸在曲線導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)中是否能保持完整的因素。

　　根據(jù)HL-2A裝置的空間結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場勘測，整個(gè)導(dǎo)管由兩部分組成，如圖3所示，導(dǎo)管最大曲率半徑1200mm，最小曲率半徑100mm，總長約7m。為驗(yàn)證各導(dǎo)管曲率半徑設(shè)計(jì)是否合理，分別采用碰撞模型和離心模型描述彈丸在上升階段(第I部分)和下降階段(第II部分)。

圖3　曲線導(dǎo)管結(jié)構(gòu)示意圖

2.1、碰撞模型描述彈丸上升階段

　　根據(jù)參考文獻(xiàn)，采用碰撞模型來描述彈丸在曲線導(dǎo)管第I部分的上升階段。如圖4所示。

圖4　彈丸在上升導(dǎo)管中的碰撞模型

　　從圖4可知，當(dāng)彈丸對于導(dǎo)管的垂直速度(vperp)大于一個(gè)極限值時(shí)，彈丸將會(huì)破碎。彈丸注入速度(v)與vperp的關(guān)系為

　　式中，H，D，d，R分別為彈丸碰撞角度，曲線導(dǎo)管內(nèi)徑，彈丸直徑，曲線導(dǎo)管曲率半徑。在文獻(xiàn)中，理論計(jì)算出的vperp最大為20m/s。圖5是采用碰撞模型計(jì)算出的導(dǎo)管曲率半徑與彈丸注入速度之間的關(guān)系示意圖。

　　從圖5可知，曲率半徑在1200mm時(shí)，彈丸在上升階段時(shí)，允許彈丸通過的最大速度約185m/s。

圖5　碰撞模型計(jì)算出的曲率半徑與彈丸速度之間的關(guān)系

2.2、離心模型描述彈丸下降階段

　　采用離心模型來描述彈丸在曲線導(dǎo)管中的下降階段，即導(dǎo)管II。彈丸在此階段中由于受到離心力的影響，彈丸是沿導(dǎo)管外壁滑動(dòng)運(yùn)行，為方便計(jì)算，假設(shè)摩擦力忽略不計(jì)。曲線導(dǎo)管的最小曲率半徑可由下列公式得

　　式中，Rmin為曲線導(dǎo)管的最小曲率半徑；m為氘彈丸質(zhì)量(直徑1.3mm×1.7mm，4.5×10^-7 kg；v為彈丸初始注入速度(200m/s)；A為彈丸與管壁有效接觸面積(3.5×10^-6 m²)；D為固體氘彈丸應(yīng)力極限(3×10⁵~5×10⁵N/m²)。將各項(xiàng)參數(shù)代入式(3)可得曲線導(dǎo)管最小曲率半徑

Rmin=17.3mm

　　安裝的曲線導(dǎo)管最小曲率半徑為100mm，遠(yuǎn)大于17mm，因此理論上彈丸在速度200m/s時(shí)，受離心力作用導(dǎo)致彈丸破碎的可能性較小。在多次進(jìn)行強(qiáng)場側(cè)彈丸注入實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)初始注入速度低于200m/s，彈丸較為完整地注入到等離子體中；當(dāng)初始注入速度高于200m/s時(shí)，彈丸幾乎成為散彈注入到等離子體中。終上所述，從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各部分導(dǎo)管的曲率半徑的取值較為合理。

3、強(qiáng)場側(cè)彈丸注入初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　2011年下半年物理實(shí)驗(yàn)中嘗試了多發(fā)小彈丸(直徑1.3mm×1.3mm)強(qiáng)場側(cè)注入。在第17922#放電實(shí)驗(yàn)中，彈丸注入初速度200m/s，間隔70ms連續(xù)注入了五發(fā)彈丸，如圖6所示。從圖中可以看出，第一、三、四、五發(fā)彈丸能較完整地注入到等離子體中，等離子體中心線平均密度增量約0.35×10¹⁹ m^-3，但第二發(fā)彈丸可能在7m長的曲線導(dǎo)管中被汽化或部分破碎以至于等離子體中心線平均密度幾乎不增長。在多次的實(shí)驗(yàn)中，比較了強(qiáng)弱場彈丸注入后等離子體中心線平均密度增幅，似乎兩者增幅差不多，這有可能是彈丸在7m長的曲線導(dǎo)管中被部分汽化，估測彈丸在導(dǎo)管中的質(zhì)量損失約30%。

圖6　強(qiáng)場側(cè)彈丸注入后的等離子體中心線平均密度變化曲線

　　在第17854#放電實(shí)驗(yàn)中，彈丸注入初速度200m/s，單個(gè)彈丸注入后等離子體中心線平均密度增加量約ne=1×10¹⁹ m^-3，而在弱場側(cè)注入同樣大小的彈丸后等離子體中心線平均密度增加量約ne=0.5×10¹⁹ m^-3，如圖7所示，從圖中可看出，強(qiáng)場側(cè)彈丸注入有效增加等離子體中心線平均密度50%左右，明顯提高了彈丸加料效率。

圖7　強(qiáng)弱場側(cè)彈丸注入后線平均密度增幅比較

4、結(jié)論

　　為了獲得高的加料效率和開展各類豐富與之關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)，在HL-2A裝置上已開展了強(qiáng)場側(cè)彈丸注入實(shí)驗(yàn)，取得了初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采用這種先進(jìn)的加料手段能有效增加等離子體密度，提高彈丸加料效率，目前，等離子體中心線電子平均密度最大增量約1.0×10¹⁹ m^-3。

　　在以往實(shí)驗(yàn)中，弱場側(cè)彈丸注入后有時(shí)妨礙某些參數(shù)如密度的測量，這除了與彈丸速度和尺寸有關(guān)外，還與放電等離子體參數(shù)有關(guān)。但在多次的強(qiáng)場側(cè)彈丸注入實(shí)驗(yàn)中，彈丸注入后對密度的測量影響較小，可能是由于注入到等離子體中的彈丸注入深度較深和彈丸較小。注入深度較深是由于彈丸消融物質(zhì)沿大半徑方向漂移；彈丸較小主要是由于彈丸在7m長的曲線導(dǎo)管中被部分汽化或破碎，估測彈丸在導(dǎo)管中的質(zhì)量損失約30%。

　　由于首次開展強(qiáng)場側(cè)彈丸注入實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)管內(nèi)徑及彈丸注入速度大小的選擇還需進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)來確定，下一步將進(jìn)一步完善該系統(tǒng)，在曲線導(dǎo)管上安裝彈丸診斷系統(tǒng)，如彈丸質(zhì)量測量及速度測量等。