EAST 偏濾器充氣系統(tǒng)是輻射偏濾器研究的重要方面。本文詳細(xì)介紹了EAST 新一輪改造升級后偏濾器充氣系統(tǒng)最重要的兩個特性———充氣閥流量率和管道延遲時間的標(biāo)定，結(jié)果顯示系統(tǒng)性能得到較好優(yōu)化，流量率線性穩(wěn)定，延遲時間縮短約一半左右。

　　核聚變能源是一種高效安全、環(huán)境友好且有足夠原料供應(yīng)的清潔能源�，F(xiàn)今最有前景的聚變實驗裝置之一是利用磁場把等離子體約束在高真空封閉容器內(nèi)反應(yīng)的托卡馬克，而先進(jìn)的托卡馬克等離子體位形都是運(yùn)行在偏濾器位形下，偏濾器構(gòu)成高溫等離子與材料直接接觸的過渡區(qū)域：一邊是溫度高達(dá)天文數(shù)字(幾億度)的等離子體，另一邊是通常的固體材料。因而偏濾器靶板區(qū)域的熱流值很大，給裝置的長脈沖安全運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)，隨著裝置加熱功率的進(jìn)一步提高和穩(wěn)定氘氚燃燒時間的延長，除了期待在材料方面有大的突破外， 輻射偏濾器(radiative divertor)是一個很好的發(fā)展方向：通過在偏濾器特定區(qū)域注入D2、Ne 和Ar 等氣體，利用其輻射冷卻效應(yīng)主動控制穩(wěn)態(tài)熱流，促使等離子體發(fā)生脫靶，大大降低入射偏濾器靶板的熱流，實現(xiàn)裝置的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。充氣系統(tǒng)(Gas Puffing System)就是輻射偏濾器應(yīng)用的實際執(zhí)行系統(tǒng)，也為研究偏濾器的不透明性、中性壓強(qiáng)、偏濾器區(qū)域等離子體冷卻、雜質(zhì)控制、氦灰排出及減小靶板侵蝕提供了一個極有效的工具。

1、EAST 偏濾器充氣系統(tǒng)

　　EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) 是世界上第一個全超導(dǎo)非圓截面磁約束裝置，有著與ITER 相同磁場結(jié)構(gòu)和加熱條件，與世界上現(xiàn)有的托卡馬克裝置不同，EAST 的設(shè)計初衷就是為了論證高功率長脈沖穩(wěn)態(tài)等離子體運(yùn)行和相關(guān)物理問題研究。但是，在偏濾器位形下，高功率長脈沖也即意味著偏濾器靶板要承受更高的穩(wěn)態(tài)熱流，隨著加熱功率的進(jìn)一步提高，EAST 裝置上偏濾器靶板上的熱負(fù)荷將達(dá)到10 MW/m2，此時，輻射偏濾器作用更突出。輻射偏濾器的充氣系統(tǒng)主要由控制器，執(zhí)行閥門、相應(yīng)的管道回路和測量裝置構(gòu)成，工作流程如圖1 所示。通過中央處理器實時計算XUV 光譜診斷所測的靶板總輻射功率，得到其占總?cè)肷涔β实谋壤?mdash;——總輻射比，與設(shè)定的總輻射比期望值比較，如果小于期望值時就對裝置進(jìn)行充氣，如果達(dá)到或超出期望值時就停止充氣，即以主動反饋模式控制穩(wěn)態(tài)熱流，進(jìn)而實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

　　EAST 偏濾器充氣系統(tǒng)采用主從、并行回路，主、從回路分別以壓電晶體閥(Piezoelectric Valve —— PEV)和電磁脈沖閥(Magnetic Pulse Valve —— MPV)作為執(zhí)行器，其中，PEV 內(nèi)置于靠近等離子區(qū)域的頸管深處，在精確控制進(jìn)氣量的同時減小延遲時間;MPV 置于縱向磁場之外，主要從安全、冗余角度考慮，保障輻射偏濾器充氣能正常工作。

圖1 輻射偏濾器充氣控制流程示意圖

2、充氣系統(tǒng)測試標(biāo)定

　　輻射偏濾器充氣系統(tǒng)必須滿足精確性和快速性的要求，故其流量率和延遲時間是最重要的兩個特征。下文分別對壓電晶體閥和電磁脈沖閥作了流量率和延遲時間的測量和標(biāo)定。

　　2.1、流量率標(biāo)定

　　所注入雜質(zhì)氣體或燃料氣體的絕對精確量是定量研究偏濾器物理問題的基礎(chǔ)，故真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.healwit.com.cn/)認(rèn)為閥門流量率的標(biāo)定是必要的。由理想氣體方程PV=nRT 可知，在壓強(qiáng)和溫度不變的情況下，氣體的量和體積成正比，所以通過測定單位時間內(nèi)流過的氣體體積來定義流量率。

3、結(jié)論

　　本文主要介紹了EAST 輻射偏濾器研究中重要的偏濾器充氣系統(tǒng)，具有分別以壓電閥和電磁閥為執(zhí)行器的兩個獨(dú)立充氣回路，對其最重要的兩個特性———流量率和延遲時間作了重點(diǎn)研究和標(biāo)定測試。

　　通過對充氣系統(tǒng)流量率和延遲時間的測量標(biāo)定，首先確定了充氣系統(tǒng)的執(zhí)行器———壓電閥和電磁閥均具有很好的工作特性，這是系統(tǒng)正常工作的重要基礎(chǔ)，也是充氣控制程序?qū)崿F(xiàn)精確控制的前提，由壓電閥電壓、電磁閥背壓分別與流量的對應(yīng)關(guān)系，可以較精確地計算充氣系統(tǒng)的絕對進(jìn)氣量，為輻射偏濾器乃至EAST 的物理研究提供數(shù)據(jù)支持。其次也驗證了系統(tǒng)改造后得到較好的優(yōu)化，延遲時間縮短至一半，具有重要意義。再次，標(biāo)定的結(jié)果，可以指導(dǎo)充氣系統(tǒng)的兩個獨(dú)立回路的科學(xué)配套使用，實現(xiàn)回路間的平穩(wěn)切換，避免對等離子狀態(tài)造成影響。