0 引　言

国际热核聚变实验堆计划(ITER)是一个由多方参与合作的国际大科学工程研发项目，旨在实验验证燃烧氘氚实现聚变能净功率输出的工程技术可行性，并为聚变能的商用探索积累经验。SWIP承担的关键技术预研和工程设计的气体注入系统主要功能是为装置放电运行提供包括氚在内的燃料气体和偏滤器辐射冷所需的杂质气体^[1]。由于GIS阀门箱与ITER装置真空室的物理位置较远^[2]，且注入管线沿途必须绕经ITER的子系统装置设备，导致注入管道长度较长，且不可避免出现弯曲，这对于核级管道的气体输运是一个重要的参数^[3]。对于实现快速的气体响应以及实现涉及偏滤器安全运行的用于辐射冷却的杂质气体注入的需求，具有一定的技术挑战。且相应的解决方案无法借鉴目前已建托卡马克装置可以解决该问题^[4]。在ITER组织的资助下，SWIP开展了系列实验，以研究ITER GIS送气响应时间的特性^[5-6]。实验定量研究了H₂、D₂、Ne、Ar、N₂的送气特性，并进一步验证了供气气压、注入管道结构以及隔离阀对送气响应时间的影响。实验结果为验证目前ITER GIS的结构设计及器件选型提供了直接的数据支撑，并为将来ITER等离子体控制系统的运行方案提供了重要的数据参考。

1 实验和数据测量 1.1 实验平台介绍

图1展示了ITER GIS特性实验平台的结构，包括体积在4 m³的真空室、注入管道、质量流量阀（MFC）和残余气体分析仪（RGA）等。为了最大程度模拟ITER GIS的真实工况，特制了B1层Port Cell 18注入线原型，并采用国内企业研发的专用质量流量控制阀用于调节气体的流量进行测试。本试验平台的主要参数如表1所示^[7-9]。真空泵组由前置机械泵、罗茨泵组成，可以实现真空室本底压力维持在-4的量级。质量流量计采用了100 Pa·m³·s^–1和5 Pa·m³·s^–1两种规格的流量计，分别安装于不同的管路，用于调节燃料气体和杂质气体的流量。两条管路随后并入21 m长的注入管线，可以实现燃料和杂质气体的实时混合。气流在管路出口和真空室内的动态响应可以被管路出口的压力检测点P5和真空室压力监测点P6实时监测。残余气体分析仪则用于分析注入气体的组分。

1.2 实验数据测量

在实验中，通过监测平台各点的压力值来表征气体的动态响应。其中，压力计5安装在注入管道末端，距离真空室注入点10 cm处，用于表征注入管道出口处气体的流量变化。本次实验的气体响应时间定义为从MFC接收到设定信号开始，到压力计5达到最大稳定压力值95%所需的时间。如图2所示，当MFC接收到80 Pa·m³·s^–1的设定信号后，经过约440 ms后，管道出口流量达到通过压力值表征的95%，这个时间即为响应时间。

此外，由于气路内径较小约为10.22 mm，输运气体种类为H₂、D₂等较轻气体，流量小于100 Pa·m³/s属于较低流量条件，且实验中压差小于150 kPa。在不考虑湍流效应的模型分析中，理论计算结果就能与实验结果较好吻合。因此本次实验未考察湍流模型对响应时间的影响 。

2 气体注入管道特性实验研究及初步分析 2.1 送气响应时间和流量调节响应时间的定量研究

为验证ITER GIS的设计能满足ITER装置放电运行的需求，同时也为ITER装置等离子体控制系统的运行方案提供数据参考，实验方案参考了ITER装置的运行需求和气体注入系统响应时间的仿真模型^[10]，测试了GIS燃料气体（H₂、D₂）和杂质气体（Ne、Ar、N₂）在5~100 Pa·m³·s^–1和2.5~5 Pa·m³·s^–1设定范围内的送气响应时间。

如图3的实验结果所示，燃料气体H₂和D₂在50~100 Pa·m³·s^–1的设定下，送气响应时间可以达到1 s以内。然而，用于偏滤器辐射冷却的杂质气体所需的流量仅为1~2 Pa·m³·s^–1[4]，同时实验结果表明，杂质气体的送气响应时间无法满足快速响应的要求。因此，实验进一步探索了采用载气或注入预制混合气体的方式以实现杂质气体快响应的可行性，详细的实验结果将在2.4节介绍。

此外，在两种不同规格的质量流量控制器(MFC)上，分别针对不同气体，验证了在最大设定参数的80%、50%、20%和5%这几个典型工况下的流量控制精度。控制精度的分析是通过MFC自带的热式流量传感器获取实际流量值，以实际流量值和 MFC 流量设定值之差与最大设定参数的比值来定量表示。验证结果表明, MFC的流量控制精度可达到±2%，在ITER允许的误差范围内^[1]，初步验证了质量流量控制器的控制性能可以满足实验要求。

2.2 高供气压力对改善送气响应时间的验证

出于对氚安全运行的要求，ITER GIS采用了负压（90 kPa）的供气方式^[2]，以保证管道内的气体压力低于大气压力，防止氚的泄露。但过低供气压力和较长的注入管线势必降低注入气体的响应时间，这对GIS的设计是一个挑战，同时缺乏合适的工程设计安全裕度对ITER装置将来的运行也可能造成一定的风险。因此，实验中验证了高于大气压的气体驱动压力对气体响应的影响，并选用了150 kPa的驱动气体压力定性研究了送气响应时间的改善程度。实验结果为ITER GIS的设计优化，尤其是修改GIS设计基准以满足ITER装置运行需要提供了重要的数据参考。

实验研究表明，将供气压力由90 kPa提高到150 kPa后，燃料气体和杂质气体的送气响应时间得到了显著改善。在150 kPa的供气压力下达到90 kPa下最大流量95%的时间可以缩短约50%（表2）。同时考虑到气体流速与压差的二次方成正比，实验数据可以用于定性分析90~150 kPa下的气体输运响应时间。

2.3 管路结构和隔离阀门对送气响应时间的影响研究

由于从阀门箱到真空室注入点的GIS注入管线的沿途必须绕经其他系统的设备和装置，从而导致不可避免的产生弯曲结构，进而影响送气的响应时间；同时，GIS管路上配置的隔离阀也会产生流阻影响送气响应时间。因此，为了评估由管道结构和隔离阀对送气响应时间产生的影响，在本实验中，分别将平台注入管道改造为围绕真空室搭建的一圈弯曲半径大于1 m的21 m“直管”结构（见图4）和将隔离阀拆除（见图5）的结构，并在两种结构的平台上进行了对比测试。

从图6和图7的对比实验结果可以看出，当前端气体压力分别为150 kPa和90 kPa时，相同流量设定下，P5的动态响应几乎趋于一致。因此可以反应管道结构和隔离阀对大流量燃料气体H₂的送气响应时间的影响较小。

2.4 杂质气体注入模式的可行性验证

ITER气体注入系统的功能之一是通过将适量的杂质气体（Ne）快速注入至真空室内^[11]，从而将偏滤器靶板上沉积的过载热量辐射掉，以确保偏滤器的安全运行。通过模拟分析表明，杂质气体（Ne）注入的合理范围为1~2 Pa·m³·s^–1[4]，且2.1节的实验结果已经表明了在ITER较长的注入管线下，杂质气体（Ne）无法在这个流量范围内实现气体的快速响应。为了确保杂质气体实现快速注入的同时能够维持在合理的低浓度，杂质气体的注入方式预计采用载气来加速杂质气体的注入响应，或者采用直接注入预制的混合气体。在载气模式下，载气（H₂或D₂）与被稀释的杂质气体分别通过各自的供气管路汇集至注入管线，并一同注入至真空室内。采用载气有效性已经通过实验验证^[5]，可以将杂质气体的响应时间显著改善至约500 ms的量级。

本次实验的目的则是为了验证直接注入预制的混合气体方式的可行性。在这种模式下，H₂/D₂与杂质气体按照一定的比例预先混合在储气罐中，再一同注入至真空室内。本次实验采用2% Ne的混合气体（Ne和H₂物质的量比为2∶98）进行测试。从表3所示的结果可以观察到2% Ne的混合气体的送气响应时间。在总流量设定为10 Pa·m³·s^–1 到 50 Pa·m³·s^–1的范围内（相应Ne的流量在0.2 Pa·m³·s^–1到1 Pa·m³·s^–1的范围） 明显优于纯Ne气的送气响应时间。

为了对比不同掺杂比例的Ne的气流响应时间，实验中进一步采用了4%的Ne的混合气体（Ne和H₂物质的量比为4∶96）进行了测试。从表4可以看出，为了获得相同物质的量的Ne, 由于Ne的浓度提高，MFC设定的总流量会相应减小，响应时间相较于低浓度的Ne的响应时间也会进一步延长。

在验证了混气模式可以提高气体输运响应的基础上，为判断混合气体注入是否会导致真空室内气体组分波动，有必要从运行控制的角度进一步观测混合气体的稳定性。通过分析残余气体分析仪（RGA）获取的信息，Ne分压强信号（图8），Ne的分压强变化趋势与真空室内总压P6较为一致，并且波形较为平滑，未出现明显的波动。这初步验证了采用预混合气体注入的方式，杂质气体Ne组分可控性较好，可以较准确地实现所需的Ne 浓度输送，从而满足运行控制的需求。

3 结束语

根据ITER GIS最终设计阶段的设计方案搭建了模拟实验平台，并在平台上研究了不同流量设定下燃料气体（H₂、D₂）和杂质气体（He、Ne、Ar、N₂）的送气响应时间，实验数据为验证GIS的设计能否满足ITER的运行需求提供了直接证据，同时也为ITER等离子体放电运行提供了重要的数据参考。并进一步定量研究了150 kPa高供气压力对不同气体的送气响应时间的改善程度，为修改GIS设计输入的基准以满足ITER装置的运行需求提供了重要的数据参考。在此基础上，通过改造的平台结构，进行对比试验，验证了管道结构和隔离阀对大流量燃料气体H₂的送气响应时间的影响较为有限，为GIS优化管道结构和器件选型提供了重要的参考数据。

杂质气体注入的实验结果表明，采取直接注入预制混合气体的方式，可以在保持杂质气体低流量注入的前提下，实现杂质气体的快速响应，从而验证了GIS可以满足ITER装置对于杂质气体注入功能的需求。