- 頭條華中科技大學專家提出用于托卡馬克電磁彈丸注入系統的電樞新方案2023-03-10 作者：陳忠勇、張維康 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語磁約束聚變與等離子體國際合作聯合實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院）、強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院）、脈沖功率技術教育部重點實驗室（華中科技大學）的陳忠勇、張維康、唐俊輝、李峰、夏勝國，在2022年第19期《電工技術學報》上撰文，通過分析現有破裂緩解系統的特點，介紹J-TEXT托卡馬克上新一代用于破裂緩解的電磁彈丸注入系統（EMI）。
聚變能是被認為有可能從根本上解決能源問題的方式之一，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃是我國參與規模最大的國際科技合作項目，目標是驗證大型托卡馬克裝置實現聚變能的可行性。托卡馬克是一種使用磁約束等離子體實現核聚變的裝置，但由于其自身特性或工程技術因素，在放電過程中可能出現等離子體約束變差并導致放電終止的情況，即“大破裂”。等離子體破裂的危害主要包括熱負荷、電磁負荷及逃逸電流三個方面。
通過對等離子體的參數進行監控能夠降低發生破裂的風險，但并不能完全避免破裂的發生，對于國際熱核聚變實驗堆而言，為了實現聚變反應需在高參數下運行，此時發生破裂的可能性更大，一旦發生破裂而不加以緩解，裝置將會被嚴重地毀壞。等離子體大破裂是國際熱核聚變實驗堆安全運行面臨的最大威脅，緩解破裂危害是國際熱核聚變實驗堆亟待解決的關鍵問題。一旦確定等離子體將發生破裂，必須通過破裂緩解系統主動將等離子體快速關斷從而保護裝置。
圖1 J-TEXT托卡馬克裝置
目前國際熱核聚變實驗堆破裂緩解系統的基本策略是主動注入大量的粒子，產生足夠高的輻射功率以耗散等離子體的能量，由此發展的系統包括大量雜質氣體注入（MGI）、散裂彈丸注入（SPI）、小型低溫彈丸注入（PI），以及電磁粒子注入器（EPI）等，但現有的破裂緩解系統均存在一定局限性，尚不能完全滿足國際熱核聚變實驗堆的需求。
磁約束聚變與等離子體國際合作聯合實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院）、強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院）、脈沖功率技術教育部重點實驗室（華中科技大學）的陳忠勇、張維康、唐俊輝、李峰、夏勝國，在2022年第19期《電工技術學報》上撰文，通過分析現有破裂緩解系統的特點，介紹J-TEXT托卡馬克上新一代用于破裂緩解的電磁彈丸注入系統（EMI）。
圖2 電磁彈丸注入系統的試驗平臺
電磁彈丸注入系統使用電磁力發射彈丸，可有效提高彈丸的注入速度并縮短響應時間，克服了其他系統的局限性。作為電磁彈丸注入系統的核心部件，電樞是電能-動能轉換的樞紐，在發射中起決定性作用。電樞在發射過程中需承受數百kA脈沖電流、數百MPa應力的作用，整體溫度也將升高至數百℃，其設計的優劣決定電磁彈丸注入系統發射性能及破裂緩解效果的好壞。
研究人員通過介紹尾翼接觸型電樞的結構及功能，說明這類電樞運用于電磁彈丸注入系統時在減速階段存在樞軌電接觸性能不足、運動穩定性不夠高等局限性，由此根據電磁彈丸注入系統減速階段對電樞性能產生的特殊需求，設計了一款具有X型結構的新型固體電樞。
該X型電樞以現有典型固體電樞為基礎，具有前翼、尾翼兩處接觸區域，提供了更強大的樞軌電接觸性能及運動穩定性，其參數分布如圖3所示。
圖3 X型電樞的主要參數分布
攜帶彈丸的X型電樞實物如圖4所示，電樞頭部通過楔形結構與聚碳酸酯材質的導引連接，導引用于攜帶彈丸載荷并進一步改善電樞運動軌跡，彈丸設計為子彈形以減少飛行時的空氣阻力。
圖4 X型電樞及攜帶彈丸的實物
研究人員的仿真結果顯示，X型電樞的接觸壓力達到要求、壓強分布均勻，在尾翼中部達到最大值且接觸面較大；電流密度與接觸壓力分布基本一致，主要通流區域為接觸面中央區域，滿足通流能力要求；電樞應力集中在肩部及喉部，滿足發射過程的機械性能要求。
為了測試X型電樞的性能，研究人員使用液壓油缸驅動推桿將電樞裝填入電磁彈丸注入系統的尾端，分別開展電樞發射性能試驗和電樞-彈丸分離性能試驗。
圖5 X型電樞-彈丸分離性能試驗結果
圖6 拍攝的電樞、彈丸出膛后的飛行軌跡
電磁彈丸注入系統的發射性能試驗結果表明，在峰值165kA的脈沖電流作用下，X型電樞能加速至約520m/s，經過4ms延時后觸發減速電源，其電流峰值約170kA，在t=6.6ms時減速至0m/s。試驗的炮口電壓表明，僅在減速電源觸發瞬間有轉捩電弧產生，樞軌界面電接觸性能良好，且經過軟回收后的電樞能夠保持完整形貌，各結構清晰、完整。
電磁彈丸注入系統的X型電樞-彈丸分離性能試驗表明，減速電源觸發后，電樞能與彈丸穩定分離，釋放后的彈丸速度達358m/s，且該速度能在提高加速電流后進一步增加。
研究人員指出，電磁彈丸注入系統為下一代大型托卡馬克裝置上的破裂緩解提供了新型高效雜質注入緩解系統，該X型電樞具有良好的發射性能，為電磁彈丸注入系統貢獻了一種優良的新型電樞結構及設計方法。另外，他們也表示，電磁彈丸注入系統在發射過程中仍有部分炮口電弧及額外雜質產生，這會對組件壽命及托卡馬克正常放電產生影響，所以未來將針對炮口電弧抑制及雜質控制展開研究。
本文編自2022年第19期《電工技術學報》，論文標題為“J-TEXT托卡馬克上電磁彈丸注入系統的X型電樞設計”。本課題得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。
