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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(guī)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(xiàn)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(xiàn)核聚變的裝置，但由于其自身特性或工程技術(shù)因素，在放電過程中可能出現(xiàn)等離子體約束變差并導(dǎo)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(shù)進行監(jiān)控能夠降低發(fā)生破裂的風(fēng)險，但并不能完全避免破裂的發(fā)生，對于國際熱核聚變實驗堆而言，為了實現(xiàn)聚變反應(yīng)需在高參數(shù)下運行，此時發(fā)生破裂的可能性更大，一旦發(fā)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(guān)鍵問題。一旦確定等離子體將發(fā)生破裂，必須通過破裂緩解系統(tǒng)主動將等離子體快速關(guān)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(tǒng)的基本策略是主動注入大量的粒子，產(chǎn)生足夠高的輻射功率以耗散等離子體的能量，由此發(fā)展的系統(tǒng)包括大量雜質(zhì)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(xiàn)有的破裂緩解系統(tǒng)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(lián)合實驗室（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院）、強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院）、脈沖功率技術(shù)教育部重點實驗室（華中科技大學(xué)）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(shù)學(xué)報》上撰文，通過分析現(xiàn)有破裂緩解系統(tǒng)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(tǒng)（EMI）。

圖2 電磁彈丸注入系統(tǒng)的試驗平臺

電磁彈丸注入系統(tǒng)使用電磁力發(fā)射彈丸，可有效提高彈丸的注入速度并縮短響應(yīng)時間，克服了其他系統(tǒng)的局限性。作為電磁彈丸注入系統(tǒng)的核心部件，電樞是電能-動能轉(zhuǎn)換的樞紐，在發(fā)射中起決定性作用。電樞在發(fā)射過程中需承受數(shù)百kA脈沖電流、數(shù)百MPa應(yīng)力的作用，整體溫度也將升高至數(shù)百℃，其設(shè)計的優(yōu)劣決定電磁彈丸注入系統(tǒng)發(fā)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(jié)構(gòu)及功能，說明這類電樞運用于電磁彈丸注入系統(tǒng)時在減速階段存在樞軌電接觸性能不足、運動穩(wěn)定性不夠高等局限性，由此根據(jù)電磁彈丸注入系統(tǒng)減速階段對電樞性能產(chǎn)生的特殊需求，設(shè)計了一款具有X型結(jié)構(gòu)的新型固體電樞。

該X型電樞以現(xiàn)有典型固體電樞為基礎(chǔ)，具有前翼、尾翼兩處接觸區(qū)域，提供了更強大的樞軌電接觸性能及運動穩(wěn)定性，其參數(shù)分布如圖3所示。

圖3 X型電樞的主要參數(shù)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(jié)構(gòu)與聚碳酸酯材質(zhì)的導(dǎo)引連接，導(dǎo)引用于攜帶彈丸載荷并進一步改善電樞運動軌跡，彈丸設(shè)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(jié)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(qū)域為接觸面中央?yún)^(qū)域，滿足通流能力要求；電樞應(yīng)力集中在肩部及喉部，滿足發(fā)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(qū)動推桿將電樞裝填入電磁彈丸注入系統(tǒng)的尾端，分別開展電樞發(fā)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(jié)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(tǒng)的發(fā)射性能試驗結(jié)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(jīng)過4ms延時后觸發(fā)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(fā)瞬間有轉(zhuǎn)捩電弧產(chǎn)生，樞軌界面電接觸性能良好，且經(jīng)過軟回收后的電樞能夠保持完整形貌，各結(jié)構(gòu)清晰、完整。

電磁彈丸注入系統(tǒng)的X型電樞-彈丸分離性能試驗表明，減速電源觸發(fā)后，電樞能與彈丸穩(wěn)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(tǒng)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(zhì)注入緩解系統(tǒng)，該X型電樞具有良好的發(fā)射性能，為電磁彈丸注入系統(tǒng)貢獻了一種優(yōu)良的新型電樞結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。另外，他們也表示，電磁彈丸注入系統(tǒng)在發(fā)射過程中仍有部分炮口電弧及額外雜質(zhì)產(chǎn)生，這會對組件壽命及托卡馬克正常放電產(chǎn)生影響，所以未來將針對炮口電弧抑制及雜質(zhì)控制展開研究。

本文編自2022年第19期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“J-TEXT托卡馬克上電磁彈丸注入系統(tǒng)的X型電樞設(shè)計”。本課題得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的支持。