一种用于等离子体破裂防护的活塞式弹丸注入系统及方法

技术领域

本发明涉及真空技术、高气体驱动、弹丸注入及磁约束聚变领域，具体是一种应用于等离子体破裂防护的活塞式弹丸注入系统及方法。

背景技术

在托卡马克放电试验中，由于等离子体控制、磁流体不稳定性、杂质、高能逃逸粒子等原因，使得等离子体的破裂难以避免。特别是在实现托卡马克聚变堆稳态运行的主要研究内容——维持稳态高参数等离子体的放电中，等离子体破裂放电会导致严重的破坏作用，如第一壁大的热负载，强的机械应力，大的逃逸电流等，甚至对偏虑器靶板、第一壁部件甚至装置造成严重损伤。虽然现有托卡马克放电的不同参数的运行极限已经有了深入的研究，并且可以控制托卡马克在“安全运行”区域而避免破裂发生，但是总有一些破裂难以避免，因此，为在高参数条件下避免或减小破裂对大装置造成的危害，开展等离子体破裂缓解的研究是很有必要而且是很重要的，也是当前托卡马卡等离子体物理研究的重点之一。

实验研究发现，在破裂发生前如果能迅速的向等离子体内部注入一定能够量的杂质粒子，则可以把等离子体破裂的危害性降低到最低的程度以起到保护装置安全的效果。

由于等离子体破裂发生的突然性，因此，要实现快速且精确的杂质粒子注入，必须有快速响应的杂质注入系统。

发明内容

克服现有的散裂弹丸注入系统需要大型罗茨泵差分抽气的技术难题，通过采用高压气体驱动及活塞式工作原理，实现了弹丸的加速及驱动气体的有效隔离及清除。为等离子体破裂缓解实验提供了高效的杂质注入工具。

为解决以上技术问题，本发明提出一种用于等离子体破裂防护的活塞式弹丸注入系统，包括进气腔、加速腔、复位腔、进气法兰、放气管、加料管、弹丸夹、复位气管、隔离密封圈、出口法兰、复位限位机构、进气腔放气阀、复位腔进气阀、复位腔放气阀等部件组成。所述的弹丸加速腔为所述的弹丸夹的滑动轨道，其一端与所述的进气腔连接，而另外一端则与所述的复位腔相连接；所述的弹丸夹处于所述的弹丸加速腔内部，弹丸夹可以在弹丸加速腔内部左右滑动；所述的弹丸加料管则通过弹丸加速腔的侧面开孔与弹丸加速腔相连通；所述的进气腔一端与高压充气阀相连接，另外一端则与所述的弹丸加速腔相连；所述的进气腔放气阀则通过管道与所述的进气腔相连接；所述的复位腔其一端与所述的弹丸加速腔相连接，而其另外一端则为出口法兰；所述的复位腔进气阀和放气阀则通过管道与所述的复位腔相连接。

所述的弹丸夹由Peek材料加工而成，该弹丸夹外部为近椭圆结构，且其结构为一段粗一段细，其中粗段为滑动端，细段为弹丸腔体，在细段外部则安装有隔离密封圈结构，可以保证弹丸夹被弹射到最终位置后能实现进气腔和复位腔之间的气体密封，外部近椭圆结构可以保证弹丸夹在所述的弹丸加速腔中只能左右往复运动而无法转动。该弹丸夹内部结构为入口稍大的中空圆台结构，且其侧面开有一进料孔，固体颗粒弹丸可以从所述的弹丸加料管及该进料孔掉落到弹丸夹内部。

所述的弹丸加速腔为内部中空的圆柱形结构，其内部中空结构与所述的弹丸夹外形一致，均为近椭圆结构，且其尺寸与弹丸夹尺寸相同，差距为正负公差，可以方便弹丸夹在其内部只能左右滑动，而无法转动，从而保证弹丸夹侧面开孔始终朝上，且能保证只有极少量的驱动气体能通过二者间隙流出。

同时，本发明提出一种用于等离子体破裂防护的活塞式弹丸注入方法，其特征在于，操作步骤如下：

(1)关闭出口法兰连接的阀门、弹丸加料管阀门、进气腔放气阀。

(2)打开复位腔进气阀阀门，通过进气阀向复位腔缓慢充入一定量的高压气体，由于弹丸夹两端存在压差，因此弹丸夹就会在该高压气体的推动下向弹丸加速腔的另外一端运动，直到碰到所述的复位限位机构，此时弹丸夹的进料口正好与弹丸加料管对齐。

(3)打开进料阀门，然后把颗粒弹丸从弹丸加料管投入弹丸夹内，加料完毕后关闭加料管阀门。

(4)打开复位腔放气阀，利用抽气机组把复位腔内部的气体抽除。

(5)打开弹丸出口法兰处的阀门，然后利用高压充气阀向进气腔内快速充入一定量的高压气体，此时弹丸夹就会在高压气体的驱动下携带着内部的颗粒弹丸高速的向弹丸加速腔的另外一侧运动。

(6)待弹丸夹的隔离密封圈碰到复位腔时，弹丸夹就会被阻挡而无法继续向前，而弹丸夹内的颗粒弹丸则由于惯性会继续向前高速运动，从而被高速弹出。由于弹丸夹上安装有隔离密封圈，因此在高压气体的压力作用下，弹丸夹就会与复位腔实现了密封，高压驱动气体就无法进入复位腔，因而不会随弹丸进入等离子体中，从而确保了只有弹丸被注入等离子体中去。

(7)打开进气腔放气阀，把进气腔及弹丸加速腔内部的高压推进气体泄放掉。

(8)关闭出口法兰阀门，弹丸加料管阀门、进气腔放气阀。打开复位腔进气阀，然后向复位腔充入一定量的高压气体，此时弹丸夹就会在该高压气体的推动下向弹丸加速腔的另外一端运动，直到碰到复位限位机构，此时弹丸夹的进料口正好与弹丸加料管对齐，等待下次加料发射，这样就完成一次完整的弹丸发射。

本发明通过采用高压气体驱动及活塞式工作原理，实现了弹丸的高效加速和驱动气体的有效隔离及清除，从而使系统结构大为简化，不用再采用大型的罗茨泵机组作为差分抽气系统，因此可以采用更高的驱动气压，弹丸可以获得更高的弹射速度，为等离子体破裂缓解实验提供了高效的杂质注入工具。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种应用于等离子体破裂防护的活塞式弹丸注入系统，包括进气腔13、弹丸加速腔4、复位腔14、进气法兰1、放气管2、弹丸加料管3、弹丸夹5、复位气管6、隔离密封圈7、出口法兰8、复位限位机构9、进气腔放气阀10、复位腔进气阀11、复位腔放气阀12。弹丸加速腔4为弹丸夹5的滑动轨道，其一端与进气腔13连接，而另外一端则与复位腔14相连接；弹丸夹5处于弹丸加速腔4内部，弹丸夹5可以在弹丸加速腔4内部左右滑动；弹丸加料管3通过弹丸加速腔4的侧面开孔与弹丸加速腔4相连通；进气腔13的一端与高压充气阀相连接，另外一端则与弹丸加速腔4相连；进气腔放气阀10则通过放气管2与进气腔13相连接；复位腔14的一端与弹丸加速腔4相连接，而另外一端则为出口法兰8；复位腔进气阀11和放气阀12通过复位气管6与复位腔14相连接。弹丸夹5由Peek材料加工而成，弹丸夹5外部为近椭圆结构，且其结构为一段粗一段细，其中粗段为滑动端，细段为弹丸腔体，在细段外部安装有隔离密封圈7，可以保证弹丸夹5被弹射到最终位置后能实现进气腔13和复位腔14之间的气体密封，外部近椭圆结构可以保证弹丸夹5在弹丸加速腔4中只能左右往复运动而无法转动。该弹丸夹5内部结构为内孔大外孔小的中空圆台结构，且其侧面开有一进料孔，固体颗粒弹丸可以从弹丸加料管3及进料孔掉落到弹丸夹5内部中。弹丸加速腔4为内部中空的圆柱形结构，其内部中空结构与弹丸夹5外形一致，均为近椭圆结构，且其尺寸与与弹丸夹尺寸相同，差距为正负公差，可以方便弹丸夹5在其内部只能左右滑动，而无法转动，从而保证弹丸夹5侧面开孔始终朝上，且能保证只有极少量的驱动气体能通过二者间隙流出

本发明还提出一种用于等离子体破裂防护的活塞式弹丸注入方法，具体步骤如下：

(1)关闭出口法兰8连接的阀门、弹丸加料管3阀门、进气腔放气阀10。

(2)打开复位腔进气阀11，通过进气阀11向复位腔14缓慢充入一定量的高压气体，由于弹丸夹5两端存在压差，因此弹丸夹5就会在该高压气体的推动下向弹丸加速腔4的另外一端运动，直到碰到所述的复位限位机构9，此时弹丸夹5的进料口正好与弹丸加料管3对齐。

(3)打开进料阀门，然后把颗粒弹丸从弹丸加料管3投入弹丸夹5内，加料完毕后关闭加料管3阀门。

(4)打开复位腔放气阀12，利用抽气机组把复位腔14内部的气体抽除。

(5)打开弹丸出口法兰8处的阀门，然后利用高压充气阀向进气腔13内快速充入一定量的高压气体，此时弹丸夹5就会在高压气体的驱动下携带着内部的颗粒弹丸高速的向加速腔4的另外一侧运动。

(6)待弹丸夹5的隔离密封圈7碰到复位腔14时，弹丸夹5就会被阻挡而无法继续向前，而弹丸夹5内的颗粒弹丸则由于惯性会继续向前高速运动，从而被高速弹出。由于弹丸夹5上安装有隔离密封圈7，因此在高压气体的压力作用下，弹丸夹5就会与复位腔14实现了密封，高压驱动气体就无法进入复位腔5，因而不会随弹丸进入等离子体中，从而确保了只有弹丸被注入等离子体中去。

(7)打开进气腔放气阀10，把进气腔13及弹丸加速腔4内部的高压推进气体泄放掉。

(8)关闭出口法兰8阀门，弹丸加料管3阀门、进气腔放气阀10。打开复位腔进气阀11，然后向复位腔14充入一定量的高压气体，此时弹丸夹5就会在该高压气体的推动下向弹丸加速腔4的另外一端运动，直到碰到复位限位机构9，此时弹丸夹5的进料口正好与弹丸加料管3对齐，等待下次加料发射，这样就完成一次完整的弹丸发射。