為了進一步縮短閥門的充氣時間，在外置式快閥成功研制的基礎(chǔ)上，中科院等離子體物理研究所又成功研制出了出口安裝在裝置內(nèi)部的快速充氣閥，該閥在保留外置式快閥快響應(yīng)、大流量優(yōu)點的基礎(chǔ)上，把閥門氣體出口位置設(shè)計為可安裝到裝置內(nèi)部，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計一方面避免了由于采用管道而導(dǎo)致的時間延遲，縮短了充氣時間，另外一方面也提高了出口氣體的壓力，更有利于等離子體破裂緩解。該閥的成功研制不僅為先進超導(dǎo)托卡馬克裝置開展等離子體破裂緩解研究提供了有效的工具，也使實時的等離子體破裂緩解成為了可能，更為未來大中型托卡馬克裝置開展類似的研究提供了有益的借鑒。

　　托卡馬克裝置是人類目前最可能實現(xiàn)核聚變能發(fā)電的裝置。在托卡馬克裝置放電過程中，由于等離子體不穩(wěn)定性等原因，經(jīng)常會發(fā)生放電突然終止的事件，也就是所謂的等離子體破裂；破裂會對托卡馬克裝置造成很大的危害，主要表現(xiàn)在以下三個方面：裝置壁局部遭受很強的熱負載；在電流猝滅階段，尤其是發(fā)生垂直不穩(wěn)定性時，裝置壁及其支撐機構(gòu)將遭受很強的電磁力負載；等離子體破裂發(fā)生時，在環(huán)向會產(chǎn)生很強的環(huán)向電壓，該電壓會加速部分電子成為高能超熱電子，該高能電子逃脫磁場束縛會損失到壁上去，對壁造成很大的破壞；另外破裂發(fā)生時會發(fā)生強烈的等離子體與壁強相互作用而給裝置真空室引入大量的難以清除的雜質(zhì)粒子,會影響后續(xù)放電的正常進行。先進超導(dǎo)托卡馬克(EAST) 是世界上第一個非圓界面全超導(dǎo)托卡馬克裝置，它與國際熱核聚變堆(ITER) 有著相似的磁位型結(jié)構(gòu)，因此在其上開展等離子體破裂緩解研究不僅對EAST 的安全運行至關(guān)重要，而且對IIER開展類似的研究有著借鑒意義。

　　研究發(fā)現(xiàn)，如果在等離子體破裂前迅速向裝置內(nèi)部注入一定量的雜質(zhì)氣體，則破裂帶來的危害將會得到很大程度的緩解，從而對裝置起到保護作用。為了滿足在EAST 上開展高壓氣體注入對等離子體破裂影響的研究需求，靠渦流驅(qū)動的快速充氣閥已經(jīng)在中科院等離子體物理研究所研制成功[ 8] 。并且該閥已經(jīng)成功的應(yīng)用到EAST及HT-7(Hefei Tokamak-7) 破裂緩解實驗研究中。為了進一步縮短充氣時間，在該閥成功研制的基礎(chǔ)上，把快閥設(shè)計成出口可以安裝到裝置內(nèi)部，該種結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅大大縮短了快閥的充氣時間，而且還提高了快閥出口氣體的壓力，更有利于等離子體破裂緩解。

1、出口內(nèi)置式渦流驅(qū)動快閥原理及結(jié)構(gòu)介紹

1.1、出口內(nèi)置式快閥研制背景介紹

　　開展等離子體破裂緩解的前提是及時準確的等離子體破裂預(yù)測，但是由于等離子體破裂原因非常復(fù)雜，因此等離子體破裂預(yù)測是一件非常困難的事情,雖然絕大多數(shù)托卡馬克裝置都進行過相關(guān)的研究，也取得不錯的研究成果，但是破裂預(yù)測提前量依然不是很大，因此，要實現(xiàn)實時的等離子體破裂緩解，必須有快速充氣能力的充氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)要能在破裂預(yù)測提前量的時間內(nèi)完成對即將破裂的等離子體充氣,這樣，充入的氣體才能起到破裂緩解的效果。

　　為了滿足在EAST上開展高壓氣體注入來緩解等離子體破裂研究的需求，靠渦流驅(qū)動的快速充氣閥已經(jīng)在中科院等離子體物理研究所研制成功，該閥是靠渦流電磁力驅(qū)動的，其主要核心部件是一個類似/ 蚊香0結(jié)構(gòu)的平板螺旋線圈。當一個強脈沖電流通過線圈時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可以得知，線圈上面的/工字型鋁制閥芯就會受到一個強電磁力( 遠大于閥芯的密封力) ，閥芯就會被彈開，工作腔室內(nèi)部的氣體就會從快閥出口進入到托卡馬克裝置內(nèi)部。由于該電流是脈沖電流，因此，閥芯所受的力也為脈沖電磁力，所以當該電流消失后,電磁力隨之消失，此時閥芯就會在腔室氣體壓力的作用下，回到初始位置，完成一次脈沖充氣。其結(jié)構(gòu)及原理如圖1 所示。

圖1 快閥結(jié)構(gòu)及閥芯所受電磁力分析

1.2、外置式快閥在等離子破裂緩解中的初步應(yīng)用

　　在2012 的EAST 春季實驗中，利用該閥進行了充氣實驗研究，所有的實驗均是向穩(wěn)態(tài)放電的等離子體中注入一定量的惰性氣體，研究充入氣體對等離子體參數(shù)的影響。等離子體參數(shù)為: 偏濾器位型歐姆放電及低雜波放電，磁場Bt= 2.0 T，等離子電流I p= 400 kA，電子密度ne= 2.0 × 10¹⁹/ m³。快閥安裝示意圖如圖2 所示，采用一個長度約1.8 m，內(nèi)徑為16 mm 的管道與快閥出口相連接，管道出口直接伸到裝置內(nèi)部限制器位置，并指向等離子體中心位置。

圖2 外置式快閥與裝置連接圖

　　實驗發(fā)現(xiàn)，注入的氣體只能進入到等離子體邊界區(qū)域，這可以從XUV 輻射分布圖上可以得到，如圖3 所示，這主要是由于注入的中性氣體在等離子體邊界區(qū)域就被電離成離子而隨磁力線沿著邊界的磁面運動，很難進入到等離子體芯部。

　　雖然注入的中性氣體很難進入到等離子體芯部，但是，通過氣體的注入，可以很大程度上提高熱輻射強度，如圖4 所示，為自然破裂和由于充氣而導(dǎo)致破裂的比較，由數(shù)據(jù)可以看出，對比與自然破裂的情況，充氣后最大輻射強度從5 變?yōu)?0，輻射強度變?yōu)樵瓉淼乃谋叮�在電流猝滅前等離子體溫度已經(jīng)從500 降低為100 eV，從而降低了等離子體溫度，此時的等離子體如果撞到壁上去，則其對壁的破壞性將大為減小。

總結(jié)

　　內(nèi)置式快閥在外置式快閥成功研制的基礎(chǔ)上基本研制成功，經(jīng)平臺測試，其響應(yīng)時間比外置式快閥稍長，但是也小于1 ms，這主要是由于采用了較長的閥芯結(jié)構(gòu)而造成的，長閥芯結(jié)構(gòu)同時也導(dǎo)致了需要很大的電磁力才能開啟，這就需要更大容量的高壓脈沖電容器來實現(xiàn)快速的開啟。在外置式快閥脈沖電路的基礎(chǔ)上，我們把其高壓脈沖電容器提高到原來的10 倍，這樣，在相同的電壓條件下，電容器儲能及電磁力都將變?yōu)樵瓉淼?0 倍。經(jīng)平臺測定其響應(yīng)時間小于1 ms；另外，由于采用強彈簧壓力來提供預(yù)應(yīng)力，因此，該閥不僅可以實現(xiàn)快速開啟，而且還可以實現(xiàn)快速關(guān)閉，也就是充氣脈寬短( 不大于5ms) ，這對破裂緩解時非常有利的，因為破裂緩解的要求是在破裂前充入一定量的氣體，如果有部分氣體在破裂后再充入，則此時充入的氣體可能會對裝置產(chǎn)生破壞作用；該閥的最大充氣量則可以達到50000 Pa#L，這樣，其響應(yīng)時間及流量都可以滿足EAST 超導(dǎo)托卡馬克裝置對破裂防護系統(tǒng)的要求。

　　該閥的成功研制，為在EAST 超導(dǎo)托卡馬克裝置上開展實時的等離子體破裂緩解實驗提供了有效的工具，其實際功能將在下一輪的EAST 實驗中進行進一步的檢驗。該閥的成功研制同時也為以后大中型托卡馬克裝置( 例如ITER) 開展這方面的研究提供了有益的借鑒。