與俄羅斯培林實驗室共同研制的擠壓切割彈丸注入器現(xiàn)已研制完成并安裝在HL-2A 裝置上。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30 Hz, 彈丸直徑1.3 mm, 長度1.3~ 1.7 mm 可調(diào), 注入速度150~ 800 m/ s。本文主要介紹了擠壓切割彈丸注入器的構成、工作原理及工程調(diào)試結果, 并給出了HL-2A 裝置上的加料實驗結果。

　　注入彈丸不僅可以補充放電中消耗的燃料粒子, 同時彈丸注入也作為重要的等離子體實驗手段,可用它有效調(diào)節(jié)等離子體的參數(shù)分布, 實現(xiàn)改善約束、提高輔助加熱效率的目的^[1]。現(xiàn)代核聚變研究中需要高可靠性和高重復性的彈丸注入來實現(xiàn)峰化密度分布和改善約束放電, 以便進行等離子體各種特性的深入研究。隨著HL-2A 實驗的深入和HL-2A裝置的改造, 放電等離子體參數(shù)進一步提高和各種輔助加熱手段的投入, 放電時間將更長, 要求注入更多的彈丸數(shù)量, 原用于HL􀀁1M 的八發(fā)彈丸注入器已不能完全滿足物理實驗的需要^[2] 。為此核工業(yè)西南物理研究院與俄羅斯培林實驗室( PELIN Laboratory Ltd. ) 聯(lián)合研制了一套新的彈丸注入器, 工程調(diào)試已獲得成功, 并于2010 年上半年首次應用到HL-2A 加料物理實驗中。

1、擠壓切割彈丸注入器的構成和工作原理

　　該擠壓切割彈丸注入器由擠壓切割系統(tǒng)、加速系統(tǒng)、推進氣與丸料送氣系統(tǒng)、真空擴散系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)等組成, 彈丸注入器整體結構示意如圖1 所示。

圖1  彈丸注入器整體結構示意圖

　　該彈丸注入器采用擠壓切割技術, 由俄羅斯PELIN 實驗室研發(fā)^[3] 。圖2 是擠壓切割系統(tǒng)結構示意圖, 系統(tǒng)主要由真空室、擠壓驅動器、低溫熱交換器、快速電磁閥、橫向切割管、壓力和溫度傳感器及彈丸長度調(diào)節(jié)器等組成, 其優(yōu)點是彈丸尺寸可以根據(jù)實驗要求進行調(diào)節(jié), 注入彈丸數(shù)目多, 擠壓出的“冰柱”屈服強度大, 切割成型時彈丸不易破碎, 因此可獲得比“原位冷凝”式制丸更好的重復性和完整性。低溫系統(tǒng)采用循環(huán)制冷機作為冷源, 能更好的為擠壓腔建立需要的穩(wěn)定的溫度梯度, 有利于“冰柱”的形成。通常“原位冷凝”式制丸需要采用液氦,

圖2 擠壓切割系統(tǒng)結構示意圖

　　由于液氦從異地供給, 不利于實驗的安排, 采用循環(huán)制冷機后就能靈活地安排系統(tǒng)運行。循環(huán)制冷機為日本住友CSW-71D 壓縮機與RDK-415D 冷頭組成。冷頭功率: 一級冷頭50 K 時提供45 W, 二級冷頭4.2 K 時提供1.5 W, 這樣的功率可滿足該注入器的凍丸需求。

　　可調(diào)節(jié)彈丸尺寸的活塞型擠壓切割注入器工作原理: 先將整個系統(tǒng)進行抽真空后, 啟動制冷機降溫, 然后通過步進電機調(diào)節(jié)彈丸長度調(diào)節(jié)器上的楔塊位置確定長方形冰柱的寬度( 即確定彈丸的長度) , 然后將室溫丸料氣源不斷地引入低溫擠壓腔,丸料氣在有溫度梯度的擠壓腔壁上凍結成霜霧狀,同時擠壓螺旋桿不斷上下往返運動將霜在擠壓器中擠壓成長方形冰柱, 此階段屬于慢擠壓固氫, 當活塞末端運動至噴口處, 彈丸制備第一階段結束; 第二階段來自外部啟動信號, 當接受到信號, 活塞快速向下運動, 從而推進冰柱進入切割單元, 利用切割器上的高頻切刀管往返運動將冰柱切割成一粒彈丸且送入槍管, 同時開啟電磁快閥, 利用高壓氣加速彈丸, 多余的推進氣則由真空擴散系統(tǒng)抽除, 如圖3 所示。該彈丸注入器一次可制80 mm 長的冰柱, 最多切割成40 粒彈丸。

圖3 可調(diào)節(jié)尺寸的活塞型擠壓切割彈丸注入器工作運行原理

3、結論

　　擠壓切割彈丸注入器用氘氣做丸料氣, 采用擠壓切割技術制丸, 成功制造并發(fā)射了氘彈丸, 在HL-2A 裝置首次應用該彈丸注入器進行了彈丸注入實驗取得初步成果。彈丸注入器工程調(diào)試結果表明:注入器設計合理, 工作運行正常、可靠; 制丸重復性和完整性好, 發(fā)射與傳輸過程中彈丸質(zhì)量損失小; 真空擴散室對推進氣有很好的抽除能力, 主要設計目標已經(jīng)達到。在本次工程調(diào)試中, 彈丸速度最大達620 m/ s, 平均彈丸尺寸誤差小于4%。

參考文獻

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