為了獲得更高的彈丸加料效率，在HL-2A裝置上開展了強場側彈丸注入。本文主要介紹了一種新的注入方式)強場側彈丸注入，詳細介紹了強場側彈丸注入的工程設計，同時也進行了彈丸在導管中的數值模擬計算，最后給出了強場側彈丸注入初步實驗結果。

　　十多年前，國內外很多聚變裝置上通常從弱場側進行彈丸注入，采用直線型管道傳輸彈丸，在工程上較容易實現。目前彈丸注入速度較容易達到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遠不夠，即使使用一些特殊的手段，如二級氣動槍、電磁軌道槍、電子束加熱火箭效應等加速彈丸，目前能獲得的最高彈丸速度只能達到5km/s。作者曾經對ITER的芯部加料問題作了研究，發現彈丸要注入到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。

　　Parks等研究了彈丸消融物質沿大半徑方向漂移的理論模型，暗示如采用強場側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等裝置實驗中演示了從強場方向注入比在弱場方向注入時加料效果更顯著，優越性更佳。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，加料效率比弱場側注入時提高了4倍，彈丸注入深度至少增加2倍；DIII-D裝置上強場側注入彈丸速度只有弱場側注入彈丸速度的1/4，但注入后彈丸消融粒子沉積位置比弱場側彈丸注入深近1倍，加料效率也提高近1倍，高達95%。在強場側彈丸注入實驗研究中也發現，它不僅僅增加了等離子體密度和提高了彈丸加料效率，而且利用強場側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，強場側彈丸注入后形成中心負剪切或中心低剪切改善等離子體性能；同時在該裝置上也發現通過強場側彈丸注入能誘發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裝置上通過強場側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，同時也能維持ELM的緩解。強場側彈丸注入已成為一種新的聚變加料方式應用在國外許多托卡馬克裝置上，同時ITER也計劃采用強場側彈丸注入。因此，在HL-2A裝置也應開展強場側彈丸注入實驗。

1、強場側彈丸注入工程設計

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

　　目前在HL-2A裝置上有弱場側和強場側彈丸注入兩種方式。弱場側(Low-Field-Side，LFS)彈丸注入采用直線型導管傳輸彈丸，而強場側彈丸注入采用曲線導管傳輸彈丸，結構相對較復雜，圖1所示為HL-2A裝置彈丸弱場側注入和強場側注入示意圖。

圖1　HL-2A裝置弱場側和強場側彈丸注入示意圖

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

　　為了便于在強場側和弱場側切換注入方向，在彈丸注入器二級真空擴散室內安裝了一套簡易的切換器，結構如圖2所示。

圖2　切換器結構示意圖

　　切換器主要由焊接波紋管，槍管固定環，螺桿，螺母等組成。利于焊接波紋管伸縮余量大的特點，緩慢旋轉螺母，使螺桿向上移動的同時將槍管也向上移動，到達事先確定的位置停止旋轉螺母，這樣就能保證槍管準確對準不同方向的注入管道，實現彈丸注入方向的切換。

2、強場側注入導管的結構設計

　　由于采用曲線導管傳輸彈丸，結構相對較復雜。彈丸在曲線導管中運動時必須克服碰撞和離心力的影響，因此導管的設計難點在于彈丸注入速度及曲率半徑的確定，同時彈丸尺寸、凍丸強度及溫度等也是影響彈丸在曲線導管運動中是否能保持完整的因素。

　　根據HL-2A裝置的空間結構及現場勘測，整個導管由兩部分組成，如圖3所示，導管最大曲率半徑1200mm，最小曲率半徑100mm，總長約7m。為驗證各導管曲率半徑設計是否合理，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　曲線導管結構示意圖

2.1、碰撞模型描述彈丸上升階段

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

圖4　彈丸在上升導管中的碰撞模型

　　從圖4可知，當彈丸對于導管的垂直速度(vperp)大于一個極限值時，彈丸將會破碎。彈丸注入速度(v)與vperp的關系為

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

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

圖5　碰撞模型計算出的曲率半徑與彈丸速度之間的關系

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管中的下降階段，即導管II。彈丸在此階段中由于受到離心力的影響，彈丸是沿導管外壁滑動運行，為方便計算，假設摩擦力忽略不計。曲線導管的最小曲率半徑可由下列公式得

　　式中，Rmin為曲線導管的最小曲率半徑；m為氘彈丸質量(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為固體氘彈丸應力極限(3×10⁵~5×10⁵N/m²)。將各項參數代入式(3)可得曲線導管最小曲率半徑

Rmin=17.3mm

　　安裝的曲線導管最小曲率半徑為100mm，遠大于17mm，因此理論上彈丸在速度200m/s時，受離心力作用導致彈丸破碎的可能性較小。在多次進行強場側彈丸注入實驗時，當初始注入速度低于200m/s，彈丸較為完整地注入到等離子體中；當初始注入速度高于200m/s時，彈丸幾乎成為散彈注入到等離子體中。終上所述，從理論計算和實驗結果表明，各部分導管的曲率半徑的取值較為合理。

3、強場側彈丸注入初步實驗結果

　　2011年下半年物理實驗中嘗試了多發小彈丸(直徑1.3mm×1.3mm)強場側注入。在第17922#放電實驗中，彈丸注入初速度200m/s，間隔70ms連續注入了五發彈丸，如圖6所示。從圖中可以看出，第一、三、四、五發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，但第二發彈丸可能在7m長的曲線導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。在多次的實驗中，比較了強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長的曲線導管中被部分汽化，估測彈丸在導管中的質量損失約30%。

圖6　強場側彈丸注入后的等離子體中心線平均密度變化曲線

　　在第17854#放電實驗中，彈丸注入初速度200m/s，單個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，強場側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　強弱場側彈丸注入后線平均密度增幅比較

4、結論

　　為了獲得高的加料效率和開展各類豐富與之關的物理實驗，在HL-2A裝置上已開展了強場側彈丸注入實驗，取得了初步實驗結果。采用這種先進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。

　　在以往實驗中，弱場側彈丸注入后有時妨礙某些參數如密度的測量，這除了與彈丸速度和尺寸有關外，還與放電等離子體參數有關。但在多次的強場側彈丸注入實驗中，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長的曲線導管中被部分汽化或破碎，估測彈丸在導管中的質量損失約30%。

　　由于首次開展強場側彈丸注入實驗，導管內徑及彈丸注入速度大小的選擇還需進一步通過實驗來確定，下一步將進一步完善該系統，在曲線導管上安裝彈丸診斷系統，如彈丸質量測量及速度測量等。