知识贴：J

　　聚变能是被认为有可能从根本上解决能源问题的方式之一，它的研发是我国的战略性重大科技问题，被美国工程院评为21世纪十四大科技挑战之一。托卡马克是一种使用磁约束等离子体实现核聚变的装置。

　　J-TEXT托卡马克是典型的圆截面铁心托卡马克装置，装置实物如图1所示。J-TEXT 托卡马克的前身是美国德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究中心的TEXT-U装置，后来由美国的能源部批准赠与了华中科技大学。J-TEXT是当前教育部所有高校中唯一的中型托卡马克装置，主要以欧姆加热为主，2019年实现了电子回旋加热，装置的主要运行参数见表1。

　　图1 J-TEXT托卡马克装置表1 J-TEXT托卡马克运行参数

　　但由于其自身特性或工程技术因素，托卡马克在放电过程中可能出现等离子体约束变差并导致放电终止的情况，即“大破裂”，而破裂所释放的巨大能量会对装置造成严重破坏。目前缓解破裂危害的基本策略是主动注入大量粒子，但现有的破裂缓解系统尚不能完全满足国际热核聚变实验堆的需求。

　　为了克服现有系统的局限性，提高系统整体安全性及可靠性，抑制等离子体破裂的负面影响，保障人员及装置的安全，科学家们在J-TEXT托卡马克上设计了电磁弹丸注入系统（Electromagnetic Pellet Injection system, EMI）。EMI配备有电磁轨道加速及减速功能，能在加速完成后通过主动电磁减速来平稳分离电枢-弹丸，并在释放弹丸后软回收电枢。与以往的破裂缓解系统MGI和SPI相比，EMI具有低响应时间、高注入速度、注入量大等优点。

　　EMI以轨道炮为设计基础，具有高发射速度、低响应时间、注入量大等优点。常规轨道炮发射时利用空气动力分离电枢及载荷，并使用打击靶板的方式将电枢转向或减速，而EMI将运行至托卡马克的高真空内，无法实现气动分离与减速，且击打靶板很可能产生电枢碎片，这些碎片若进入真空室会严重影响放电，故EMI通过主动减速环节达到分离载荷并软回收电枢的目的。

　　EMI的工作原理如图2所示，由加速脉冲电源、减速脉冲电源、导轨、携带弹丸载荷的电枢组成。其中，I为电源馈入电流，F为电枢受到电磁力，E为电场强度，B为磁感应强度。发射时导通加速脉冲电源，电枢经过加速达到速度峰值，随即触发减速脉冲电源，使电枢受到减速力作用而释放弹丸，弹丸脱离电枢后保持原速度飞行至托卡马克真空室，而电枢被进一步减速直至软回收，避免进入真空室损害装置。

　　图2 EMI的工作原理

　　为J-TEXT搭建的EMI试验平台如图3所示，部分参数见表2。

　　图3 EMI的试验平台表2 EMI试验平台的主要参数

　　本文编自2022年第19期《电工技术学报》，论文标题为“J-TEXT托卡马克上电磁弹丸注入系统的X型电枢设计”。本课题得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

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