EAST 高頻彈丸注入裝置主要用于完成EAST 托卡馬克裝置的加料和邊界局域模(ELM) 實(shí)驗(yàn)研究。注入器主體部分已經(jīng)完成構(gòu)建，為了使系統(tǒng)安全連接到EAST 裝置，需要設(shè)計(jì)一套對(duì)應(yīng)的真空系統(tǒng)。高頻彈丸注入裝置真空系統(tǒng)采用了全新的設(shè)計(jì)，在注入器主體上連接三個(gè)緩沖室，將推進(jìn)氣體及時(shí)抽走，降低成冰室壓強(qiáng)以此提高成冰質(zhì)量。注入器與EAST 裝置通過兩級(jí)差分系統(tǒng)連接，進(jìn)一步降低裝置壓強(qiáng)至5×10^-4 Pa量級(jí)，完成與EAST 的安全連接不影響正常放電。

　　EAST 是世界上第一個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置。自2006 年首次成功放電以來，實(shí)驗(yàn)參數(shù)得到不斷提高。在等離子體高約束運(yùn)行模式(H-mode)下爆發(fā)的邊界局域模(ELM)會(huì)對(duì)裝置第一壁造成極大的熱沖擊，降低第一壁材料使用壽命。如何應(yīng)對(duì)這種現(xiàn)象已經(jīng)成為聚變界一個(gè)棘手的問題。最新的研究表明，高頻彈丸注入技術(shù)是一種行之有效的控制ELM 的手段。參考低頻彈丸注入裝置的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一套全新的高頻彈丸注入裝置。新系統(tǒng)的氫/氘彈丸最高注入頻率可達(dá)50 Hz，為了滿足新系統(tǒng)對(duì)真空度的要求，需要設(shè)計(jì)一套真空系統(tǒng)。

1、概述

　　低頻彈丸注入裝置于2012 年首次投入EAST實(shí)驗(yàn)，能以最高10 Hz 的工作頻率發(fā)射氫/氘彈丸為EAST 裝置加料。為了保證在運(yùn)行過程中，推進(jìn)氣體(氦氣)不會(huì)大量進(jìn)入EAST 主真空室中，低頻彈丸注入裝置采用了兩級(jí)差分的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。第一級(jí)差分室體積17 L連接一體積355 L 膨脹室，用抽速470 L/s 的羅茲泵機(jī)組抽氣；第二級(jí)差分室體積17 L 直接連接FF-200 復(fù)合分子泵機(jī)組抽氣。在運(yùn)行過程中，能保證第二級(jí)差分真空度維持在10^-4 Pa 左右，在這樣的真空環(huán)境下，推進(jìn)氣體對(duì)EAST 主真空的影響可忽略。但是低頻彈丸系統(tǒng)在長時(shí)間連續(xù)工作的情況下，第二級(jí)差分室真空度會(huì)慢慢變差，需要暫停運(yùn)行一段時(shí)間，等真空度恢復(fù)到正常水平，才能繼續(xù)工作。因?yàn)榇罅客七M(jìn)氣體會(huì)在第一級(jí)差分處積累，不能被及時(shí)抽走。

圖1 低頻彈丸注入裝置三維示意圖

　　高頻彈丸注入裝置與低頻系統(tǒng)基本原理相似，也是利用液氦降溫冷凝氫/ 氘氣體，通過機(jī)械擠壓、切割的方式制成彈丸，最終用高壓氦氣加速彈丸通過細(xì)長管道打入到EAST 主真空室內(nèi)。高頻彈丸為一直徑1.5 mm，長度1.2 至1.8 mm 可調(diào)的圓柱體，其發(fā)射速度根據(jù)設(shè)定的推進(jìn)氣體壓強(qiáng)不同，在150 至250 m/s 之間變化。除此之外，高頻系統(tǒng)的最大工作頻率高達(dá)50 Hz，發(fā)射每發(fā)彈丸大概需要消耗20-30 mbar·L 的氦氣，這樣大量的氦氣不及時(shí)抽走，會(huì)影響到EAST 裝置的正常放電。為了消除氦氣的影響，并克服低頻系統(tǒng)存在的問題，借鑒低頻彈丸系統(tǒng)的兩級(jí)差分結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)，設(shè)計(jì)了這套高頻彈丸注入裝置真空系統(tǒng)。

　　高頻彈丸注入裝置真空系統(tǒng)主要由緩沖室，兩級(jí)差分室，真空泵組，以及真空測量部件和連接管道等組成。為了確保推進(jìn)氣體不會(huì)進(jìn)入EAST 主真空室，需要限定了兩級(jí)差分室的真空度，即連接EAST 主真空室的條件，詳見表1。采用兩級(jí)差分室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠最大限度的減少進(jìn)入EAST 主真空室的氣量。真空各部件安裝在支架上，中心與注入器注入管路保持同一水平高度，其結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。新的真空系統(tǒng)將緩沖室移至注入器主體下部，在彈丸成型加速階段起到擴(kuò)散和抽走多余氦氣的作用。新的緩沖室設(shè)計(jì)不但減小了后部兩級(jí)差分室的工作負(fù)載，還大大提高了彈丸成冰的質(zhì)量和可靠性。

表1 兩級(jí)差分室的工作真空度要求

圖2 高頻彈丸注入裝置三維示意圖

2、真空差分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1、緩沖室設(shè)計(jì)

　　全新的彈丸注入器包括兩套獨(dú)立的注入系統(tǒng)，每套系統(tǒng)能夠以25 Hz 的頻率獨(dú)立工作發(fā)射彈丸。高頻的特性對(duì)系統(tǒng)的可靠性提出了要求，為了提高彈丸的成型質(zhì)量和可靠性，在彈丸成型和加速系統(tǒng)上連接一個(gè)緩沖室。緩沖室與彈丸成型和加速系統(tǒng)的連接簡圖，如圖3 所示。圖2 中的真空室1、真空室2 和真空室3 首尾相連，共同組成了緩沖室，見圖4，而真空室4 則代表了真空系統(tǒng)后部的診斷室、和兩級(jí)差分室。彈丸加速期間，推進(jìn)氣體擴(kuò)散到緩沖室的三個(gè)真空室內(nèi)，被真空泵組抽走，減少擠壓成冰室內(nèi)的推進(jìn)氣體量，從而提高成冰質(zhì)量。

圖3 彈丸成型和加速系統(tǒng)簡圖

　　一套彈丸加速和成型系統(tǒng)已經(jīng)制造完成，并做了一些基本的臺(tái)面測試，得到了一些初步的測試數(shù)據(jù)，其中每發(fā)彈丸造成的氣體載荷分布見表2。由于彈丸注入器正常工作時(shí)氣載很大，尤其是緩沖室中的真空室2，因此選用大抽速470 L/s的羅茲泵機(jī)組(WAU2001/SV630B)來作為真空室2 的泵組， 選用抽速203 L/s 的羅茲泵機(jī)組(WAU1001/SV300B)作為真空室1 的泵組。真空室3 連接擠壓成冰室，主要用于抽除廢冰和廢氣，選用的是抽速16.6 L/s 的無油渦旋真空泵(GWSP10000)。

圖4 緩沖室結(jié)構(gòu)簡圖

　　由于初步測試時(shí)只采用了一套彈丸加速和成型系統(tǒng)，并且初期測試所用的泵組與后續(xù)兩套一并安裝時(shí)所用泵組并不一致，需要對(duì)緩沖室的體積結(jié)構(gòu)等重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分考慮兩套系統(tǒng)同時(shí)以最大載荷工作的情況。為了能夠最大限度的發(fā)揮真空泵機(jī)組的性能，保證將推進(jìn)氣體盡量地排出，設(shè)計(jì)初均假設(shè)羅茲泵機(jī)組工作在最大抽速，也就是假定工作壓強(qiáng)為百帕量級(jí)，初步假設(shè)為500 Pa�？紤]了氣載、壓強(qiáng)、連接管道等因素后，選定三個(gè)真空室體積均為21.43 L。真空室1用內(nèi)徑100 mm，長度3.3 m 的管道連接羅茲泵機(jī)組；真空室2 用內(nèi)徑150 mm，長度3.3 m 的管道連接羅茲泵機(jī)組；真空室3 用普通KF40 接頭(內(nèi)徑約為35 mm)，長1 m 波紋管連接。

表2 單發(fā)彈丸推進(jìn)氣體載荷分布

　　根據(jù)前面的假設(shè)，管道中的平均壓強(qiáng)，三個(gè)真空室的P D 值均大于0.67 Pa·m，管道中的流態(tài)為粘滯流。根據(jù)氣流狀態(tài)，選擇流導(dǎo)公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

　　代入數(shù)據(jù)，真空室1 管道流導(dǎo)為20303 L/s，真空室2 管道流導(dǎo)為102784 L/s， 真空室3 管道流導(dǎo)為1005 L/s。再根據(jù)有效抽速公式(2)，計(jì)算各真空泵的有效抽速：

　　代入得，真空室1 羅茲泵機(jī)組有效抽速201 L/s，真空室2 羅茲泵機(jī)組有效抽速467 L/s，真空室3無油渦旋真空泵有效抽速為11.5 L/s。由上面計(jì)算得到的有效抽速，并根據(jù)公式(3)計(jì)算抽氣平衡時(shí)，真空室內(nèi)的壓強(qiáng)：

　　而氣體載荷又根據(jù)單發(fā)彈丸的氣載(取最大值)乘上頻率，也就是最大頻率50 Hz，可得真空室1 的氣載為3×10⁴ Pa·L/s，真空室2 的氣載為7.5×10⁴ Pa·L/s，真空室3 的氣載為1×10⁴ Pa·L/s。將各數(shù)據(jù)代入，得真空室1 的實(shí)際穩(wěn)態(tài)工作壓強(qiáng)為150 Pa，真空室2 的實(shí)際穩(wěn)態(tài)工作壓強(qiáng)為161 Pa，真空室3 的實(shí)際穩(wěn)態(tài)工作壓強(qiáng)是869 Pa。查看個(gè)泵組的工作壓強(qiáng)- 抽速曲線，均能達(dá)到最大抽速，而因?yàn)楣艿肋B接部件的流導(dǎo)非常大，所以實(shí)際的工作壓強(qiáng)對(duì)上述的計(jì)算過程影響非常小，可以直接認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與初期的假設(shè)是吻合的。所以說緩沖室的設(shè)計(jì)在理論上是可行的，可以滿足設(shè)計(jì)要求，降低了推進(jìn)氣體進(jìn)入擠壓成冰室的可能，提高了成冰質(zhì)量。

　　2.2、兩級(jí)差分室設(shè)計(jì)

　　為了進(jìn)一步的降低系統(tǒng)的壓強(qiáng)， 達(dá)到與EAST 主真空連接的條件，需要采用兩級(jí)差分真空室的結(jié)構(gòu)。兩級(jí)差分室的主要作用是進(jìn)一步的抽除多余的推進(jìn)氣體氦氣，使第二級(jí)差分室的壓強(qiáng)穩(wěn)定在10-4 量級(jí)或以下，保證高頻彈丸注入系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中能夠正常與EAST 主真空連接，而不影響EAST 裝置的正常放電。

　　兩級(jí)差分室在結(jié)構(gòu)上相似，兩個(gè)真空室的體積都是約17 L，均采用機(jī)械泵前級(jí)搭配Turbo-V1001 分子泵抽氣，對(duì)氦氣的抽速在870 L/s 左右。第一級(jí)差分室：

　　前面表二中氣體載荷分布數(shù)據(jù)，是在緩沖室均連接機(jī)械泵的情況下得到的，而我們重新搭建的系統(tǒng)采用的是大抽速的羅茲泵機(jī)組，除此之外，我們還會(huì)將診斷室的一個(gè)法蘭連接到緩沖室二號(hào)羅茲泵機(jī)組上。在這樣的情況下，前面提到的單發(fā)彈丸進(jìn)入到圖3 中真空室4 的氣體載荷應(yīng)該會(huì)大大減小。單發(fā)彈丸引入的推進(jìn)氣體按照30 mbar·L 來記，經(jīng)過模擬計(jì)算，其中29 mbar·L的氣體都會(huì)被前端的兩套羅茲泵機(jī)組和干泵抽走，進(jìn)入到第一級(jí)差分室的氣量大約為1 mbar·L。分子泵直接連接在差分室下部，流導(dǎo)很大，

　　對(duì)泵的抽速影響很小。我們可以認(rèn)為泵的額定抽速即為有效抽速870 L/s，按照50 Hz 最大頻率計(jì)算，氣體載荷為5×10³ Pa·L/s，再代入式(3)，計(jì)算可得此時(shí)的壓強(qiáng)大概為5.74 Pa。分子泵在Pa量級(jí)抽速有所下降，我們重新計(jì)算，取抽速為600 L/s，再次代入式(3)，得到壓強(qiáng)為8.33 Pa。第二級(jí)差分室：

　　推進(jìn)氣體在進(jìn)入第二級(jí)差分室之前，需要經(jīng)過一段內(nèi)徑6 mm，長度2 m 的細(xì)長管道。根據(jù)平均壓強(qiáng)公式，細(xì)管內(nèi)的平均壓強(qiáng)約為4 Pa，PD≈0.24 Pa·m，介于6.65×10^-3 Pa·m 和0.67 Pa·m之間，處于粘滯- 分子流。根據(jù)粘滯- 分子流流導(dǎo)公式(4)：

　　查相關(guān)表格知J 約為3.08，代入式(4)得管道流導(dǎo)為4.02×10^-2 L/s，最大氣體流量為Q=U×8=3.21×10^-1 Pa.L/s。在根據(jù)公式(3)，得第二級(jí)差分室的壓強(qiáng)不會(huì)大于3.69×10^-4 Pa，小于表2中對(duì)第二級(jí)差分真空的工作狀態(tài)要求�；�本可以忽略高頻彈丸系統(tǒng)推進(jìn)氣體對(duì)EAST 裝置的影響。

　　2.3、真空測量系統(tǒng)

　　為了能實(shí)時(shí)地監(jiān)測各部分真空狀況，保證系統(tǒng)的各部件能夠正常運(yùn)作，在緩沖室以及兩級(jí)差分室上都安裝有測量用規(guī)管。緩沖室正常工作時(shí)的壓強(qiáng)較高，大致在百帕量級(jí)；而兩級(jí)差分室的工作壓強(qiáng)較低，主要是第二級(jí)差分室正常運(yùn)行時(shí)的壓強(qiáng)要求保持在10^-4 Pa 以下。

　　除了彈丸注入本身的真空測量點(diǎn)外，真空系統(tǒng)上一共有5 個(gè)測量點(diǎn)。在緩沖室的三個(gè)真空室上分別安裝三個(gè)TRP 280 規(guī)管，在兩級(jí)差分室上安裝兩個(gè)PKR 251 規(guī)管。系統(tǒng)運(yùn)行期間，通過讀取規(guī)管示數(shù)來確保各系統(tǒng)都處于正常工作范圍，出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)采取措施，避免系統(tǒng)損壞。

　　真空度的讀取和記錄是通過規(guī)管連接到真空計(jì)和PLC 實(shí)現(xiàn)的。真空計(jì)主要是在現(xiàn)場測試時(shí)起實(shí)時(shí)監(jiān)控讀數(shù)的作用；而PLC 則是遠(yuǎn)程控制和記錄真空數(shù)據(jù)變化，方便后期查看真空度的歷史曲線，查看系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。系統(tǒng)上各插板閥和真空泵組均能通過PLC 的方式遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行開關(guān)操作，在遇到故障時(shí)能及時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程處理。

3、總結(jié)

　　上述計(jì)算結(jié)果表明，前端緩沖室確實(shí)能及時(shí)地抽走氦氣，并使各泵組工作在最佳狀態(tài)下，降低了氦氣進(jìn)入擠壓成冰室的可能性，提高了成冰質(zhì)量；且兩級(jí)差分真空也進(jìn)一步地降低系統(tǒng)真空度，起到安全連接EAST 主真空的作用。高頻彈丸注入裝置真空系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)已經(jīng)滿足了最初的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)已進(jìn)入生產(chǎn)制造階段，系統(tǒng)最快將于2015 年10 月左右投入使用。未來高頻彈丸注入裝置搭建完成之后，首先會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)檢漏和性能測試，在各個(gè)頻率下測試發(fā)射彈丸可靠性，測試真空系統(tǒng)是否能按照設(shè)計(jì)的要求正常工作，并給出一些初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。