與俄羅斯培林實(shí)驗(yàn)室共同研制的擠壓切割彈丸注入器現(xiàn)已研制完成并安裝在HL-2A 裝置上。該彈丸注入器一次能制備和發(fā)射40 粒彈丸, 注入頻率高達(dá)30 Hz, 彈丸直徑1.3 mm, 長(zhǎng)度1.3~ 1.7 mm 可調(diào), 注入速度150~ 800 m/ s。本文主要介紹了擠壓切割彈丸注入器的構(gòu)成、工作原理及工程調(diào)試結(jié)果, 并給出了HL-2A 裝置上的加料實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　注入彈丸不僅可以補(bǔ)充放電中消耗的燃料粒子, 同時(shí)彈丸注入也作為重要的等離子體實(shí)驗(yàn)手段,可用它有效調(diào)節(jié)等離子體的參數(shù)分布, 實(shí)現(xiàn)改善約束、提高輔助加熱效率的目的^[1]。現(xiàn)代核聚變研究中需要高可靠性和高重復(fù)性的彈丸注入來(lái)實(shí)現(xiàn)峰化密度分布和改善約束放電, 以便進(jìn)行等離子體各種特性的深入研究。隨著HL-2A 實(shí)驗(yàn)的深入和HL-2A裝置的改造, 放電等離子體參數(shù)進(jìn)一步提高和各種輔助加熱手段的投入, 放電時(shí)間將更長(zhǎng), 要求注入更多的彈丸數(shù)量, 原用于HL􀀁1M 的八發(fā)彈丸注入器已不能完全滿足物理實(shí)驗(yàn)的需要^[2] 。為此核工業(yè)西南物理研究院與俄羅斯培林實(shí)驗(yàn)室( PELIN Laboratory Ltd. ) 聯(lián)合研制了一套新的彈丸注入器, 工程調(diào)試已獲得成功, 并于2010 年上半年首次應(yīng)用到HL-2A 加料物理實(shí)驗(yàn)中。

1、擠壓切割彈丸注入器的構(gòu)成和工作原理

　　該擠壓切割彈丸注入器由擠壓切割系統(tǒng)、加速系統(tǒng)、推進(jìn)氣與丸料送氣系統(tǒng)、真空擴(kuò)散系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成, 彈丸注入器整體結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1  彈丸注入器整體結(jié)構(gòu)示意圖

　　該彈丸注入器采用擠壓切割技術(shù), 由俄羅斯PELIN 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)^[3] 。圖2 是擠壓切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖, 系統(tǒng)主要由真空室、擠壓驅(qū)動(dòng)器、低溫?zé)峤粨Q器、快速電磁閥、橫向切割管、壓力和溫度傳感器及彈丸長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器等組成, 其優(yōu)點(diǎn)是彈丸尺寸可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)節(jié), 注入彈丸數(shù)目多, 擠壓出的“冰柱”屈服強(qiáng)度大, 切割成型時(shí)彈丸不易破碎, 因此可獲得比“原位冷凝”式制丸更好的重復(fù)性和完整性。低溫系統(tǒng)采用循環(huán)制冷機(jī)作為冷源, 能更好的為擠壓腔建立需要的穩(wěn)定的溫度梯度, 有利于“冰柱”的形成。通常“原位冷凝”式制丸需要采用液氦,

圖2 擠壓切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　由于液氦從異地供給, 不利于實(shí)驗(yàn)的安排, 采用循環(huán)制冷機(jī)后就能靈活地安排系統(tǒng)運(yùn)行。循環(huán)制冷機(jī)為日本住友CSW-71D 壓縮機(jī)與RDK-415D 冷頭組成。冷頭功率: 一級(jí)冷頭50 K 時(shí)提供45 W, 二級(jí)冷頭4.2 K 時(shí)提供1.5 W, 這樣的功率可滿足該注入器的凍丸需求。

　　可調(diào)節(jié)彈丸尺寸的活塞型擠壓切割注入器工作原理: 先將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空后, 啟動(dòng)制冷機(jī)降溫, 然后通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)彈丸長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器上的楔塊位置確定長(zhǎng)方形冰柱的寬度( 即確定彈丸的長(zhǎng)度) , 然后將室溫丸料氣源不斷地引入低溫?cái)D壓腔,丸料氣在有溫度梯度的擠壓腔壁上凍結(jié)成霜霧狀,同時(shí)擠壓螺旋桿不斷上下往返運(yùn)動(dòng)將霜在擠壓器中擠壓成長(zhǎng)方形冰柱, 此階段屬于慢擠壓固氫, 當(dāng)活塞末端運(yùn)動(dòng)至噴口處, 彈丸制備第一階段結(jié)束; 第二階段來(lái)自外部啟動(dòng)信號(hào), 當(dāng)接受到信號(hào), 活塞快速向下運(yùn)動(dòng), 從而推進(jìn)冰柱進(jìn)入切割單元, 利用切割器上的高頻切刀管往返運(yùn)動(dòng)將冰柱切割成一粒彈丸且送入槍管, 同時(shí)開啟電磁快閥, 利用高壓氣加速?gòu)椡? 多余的推進(jìn)氣則由真空擴(kuò)散系統(tǒng)抽除, 如圖3 所示。該彈丸注入器一次可制80 mm 長(zhǎng)的冰柱, 最多切割成40 粒彈丸。

圖3 可調(diào)節(jié)尺寸的活塞型擠壓切割彈丸注入器工作運(yùn)行原理

3、結(jié)論

　　擠壓切割彈丸注入器用氘氣做丸料氣, 采用擠壓切割技術(shù)制丸, 成功制造并發(fā)射了氘彈丸, 在HL-2A 裝置首次應(yīng)用該彈丸注入器進(jìn)行了彈丸注入實(shí)驗(yàn)取得初步成果。彈丸注入器工程調(diào)試結(jié)果表明:注入器設(shè)計(jì)合理, 工作運(yùn)行正常、可靠; 制丸重復(fù)性和完整性好, 發(fā)射與傳輸過(guò)程中彈丸質(zhì)量損失小; 真空擴(kuò)散室對(duì)推進(jìn)氣有很好的抽除能力, 主要設(shè)計(jì)目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到。在本次工程調(diào)試中, 彈丸速度最大達(dá)620 m/ s, 平均彈丸尺寸誤差小于4%。

參考文獻(xiàn)

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