液化气体射流注入等离子体破裂防护的研究

The disruption prediction and mitigation is a key issue for ITER and the future fusion reactor. In the disruption mitigation experiments, the plasma energy is radiated away by the impurities injected through the Massive Gas Injection (MGI) or Pellet Injection (PI). Liquefied Gas Injection (LGI) is a new approach for impurity injection. The impurity gas could be liquefied by reducing the temperature and increasing the pressure, as long as the temperature is below the critical temperature. The liquefied gas is ejected through a pulsed valve under the gas pressure forming liquefied gas jet injected into the plasma. The LGI has the traits of MGI and PI, as the liquid density is similar to the solid, the liquid and gas are fluids which are easy to be controlled. On HL-2A the Supersonic Molecular Beam Injection system, which has a good performance under high pressure and low temperature, could be upgraded to inject liquefied gas jet in principle. This project is to develop a LGI system with temperature and pressure control, and to investigate disruption mitigation with LGI.

破裂预测和防护是ITER及未来聚变堆面临的关键物理和技术问题之一。目前等离子体破裂防护的手段主要有大量气体注入（MGI）和弹丸注入（PI），通过人为主动地注入大量杂质增强杂质辐射的方式实现破裂防护。液化气体射流注入（LGI）是一种新的杂质注入技术，将气体的温度降低至临界温度以下，同时增加气体压强至超过气体的饱和蒸气压，气体逐渐液化，在气源压强的作用下，液化气体通过阀门喷口喷出，以液体射流的方式注入等离子体。液化气体射流注入能够兼顾大量气体注入和杂质弹丸注入的特点。液体具有与固体相当的密度，远高于气体；同时液体与气体属于流体，易于控制注入的杂质数量。HL-2A装置上的超声分子束注入技术具有高气压和低温冷却的特点，本项目拟在超声分子束注入技术的基础上，通过精确控制气体温度和压强，探索液化气体射流注入技术，利用该技术开展破裂防护的实验，研究比较液态杂质注入与固体、气体杂质注入在破裂防护中的作用。

本项目在超声分子束注入技术的基础上，通过精确控制气体温度和压强，发展了液化气体射流注入技术，验证了液化气体射流注入的可行性，并且利用该技术在HL-2A装置上开展了等离子体破裂防护的实验。在实验室利用冷却循环装置将系统的温度降低并且稳定在所需的温度，实现了将二氧化碳、氙气等气体液化，并形成液态射流注入到真空环境，利用相机捕捉到液态射流的影像。实验结果表明超声分子束注入系统能够用于液化气体射流注入，系统的密封性能良好，液化气体射流在真空室中能够飞行足够的距离，在HL-2A装置上液化气体射流可以到达等离子体。在HL-2A装置上进行了液化杂质气体（氙气）射流注入等离子体的实验，结果表明液化杂质气体射流注入可以实现等离子体破裂防护，有效地耗散逃逸电子。液化气体射流注入（LGI）成为大量气体注入（MGI）和弹丸注入（PI）以外的另一种等离子体破裂防护的技术。