HL-2M装置供电系统研制

为满足HL-2M装置的供电需求,须配套建设相应的供电系统。通过仿真计算HL-2M装置的总体供电需求,考虑到HL-2A装置现有的供电系统设备,提出了兼顾HL-2A和HL-2M装置供电需求的总体配置方案。介绍了国内首台300MVA立式交流脉冲发电机组、磁体电源、高压电源和电源控制系统的研制情况。

HL-2M装置环向场线圈的工程研制与调试

介绍了HL-2M装置环向场(TF)线圈的工程设计、关键制造工艺及其调试结果。目前,TF线圈最大通电电流达到42kA,对应TF线圈产生的磁场为0.66T,满足HL-2M装置初始放电需求。

HL-2M装置初始等离子体放电阶段的直流辉光放电清洗系统研制

基于HL-2M托卡马克初始等离子体放电的工程需求,设计并研制了直流辉光放电清洗系统,包括电极、馈线、电源、控制以及监测等关键部件和辅助子系统。研制完成后开展了系统装配和工程调试,并投入到首次等离子体放电。实验结果表明,该直流辉光放电系统运行稳定、可靠,且此辉光放电清洗显著降低了真空室本底杂质浓度,能满足HL-2M装置初始等离子体放电的壁条件需求。

HL-2M装置扫频ECE测量系统研制

为了测量HL-2M装置中的电子温度剖面分布,研制了一套扫频电子回旋辐射(SECE)系统。该系统能够测量装置中心纵场大小在1.4~2.2T时的等离子体电子温度。采用扫频外差接收的方式,径向空间分辨达到2.5cm,时间分辨达到1ms。接收机前端的准光学系统采用两级金属反射镜的配置,系统能够接收的最小极向光斑的直径为1.5cm(波数kθ<4.2rad·cm^(-1))。系统的频带范围覆盖33~110GHz,采用VCO作为本振源,双边带混频输出中频信号。后端首次采用高性能对数检波器解调中频,能直接对-70d Bm的微弱信号进行检测,输入-输出工作区间的动态范围达到45dB以上。在实验期间,成功测量到了等离子体中电子逃逸以及回旋辐射产生的信号。

HL-2M装置极向场线圈的结构设计与制造

介绍了HL-2M装置极向场(PF)线圈的结构设计和制造。16饼PF线圈布置在环向场(TF)线圈空腔之内、真空室外,沿中平面对称分布。PF线圈采用中空矩形铜导体绕制,其中PF1~PF4线圈为双层螺旋绕制结构,最大运行电流14.5kA;PF5~PF8线圈为多层盘式绕制结构,最大运行电流38~42kA。

HL-2M磁体系统安装中的定位与测量

为提高磁体系统安装精度,在HL-2M集成大厅建立63个基准点构成测量基准网,并利用激光跟踪仪等高精度测量设备建立每个磁体的局部坐标系,测量特征点的局部坐标;基于测量基准网和公共测量点,采用最佳拟合得到坐标转换矩阵,以此得到特征点在测量基准网的位置,指导磁体安装。完成安装后的中心柱同支撑基础的同轴度为∅2.03mm;PF1~PF4线圈安装标高偏差为±0.5mm,与中心柱的同轴度为∅2.60mm;PF5/6/7/8线圈与中心柱的同轴度偏差小于∅3.00mm,标高偏差在[-1mm,1mm]区间内。基于以上方法所得到的线圈安装精度都满足设计需求。

HL-2M装置主机集成安装工程质量管理

基于HL-2M装置主机集成安装实践,以风险控制、过程管理为质量管理工作总体思路,对工程策划、实施、验收环节进行全面质量管理。通过实施质量管理活动,确保了HL-2M装置主机集成安装工程达到质量目标,并于2020年12月4日首次放电成功。通过本项目的实施积累了大科学工程的质量管理经验。

HL-2M初始放电位形及波形设计

利用EFIT设计了可用于HL-2M初始放电的圆截面限制器位形以及偏滤器位形;设计了满足放电击穿条件要求(零场区域平均杂散磁场应不超过20G)的零场位形。综合分析放电过程伏秒数消耗及真空室涡流的影响,使用PF8线圈电流补偿真空室涡流产生的杂散磁场,设计了等离子体电流200kA的限制器位形及偏滤器位形的自洽的放电波形。将该放电波形作为放电调试的参考波形,成功实现了限制器位形的初始放电实验。

HL-2M装置中心螺旋管线圈结构和制造工艺概述

HL-2M装置中心螺旋管(CS)线圈采用了AB两组交替缠绕、内外层轴向反向绕制的结构,AB两组引线对称引出。在中心螺旋管线圈制造过程中,开展了中空铜导线焊接工艺、绝缘包扎工艺、绕制工艺、内外层跳线连接工艺、加热固化工艺等试验。研制的线圈满足对地主绝缘耐压60kV、A/B组匝间耐压1kV的设计要求。

HL-2M装置运行控制技术初步研究

重点介绍了HL-2M装置的运行技术和初步的等离子体控制实验结果,包括等离子体放电方案设计、线圈电流控制、击穿阶段零场匹配和等离子体电流以及位移的控制。为了降低放电运行风险,HL-2M装置初始放电采用了简化的放电方案,通过整定PID参数实现了线圈电流控制,在击穿阶段获得了10V以上的环电压和较大范围的零场区域,成功实现等离子体击穿。最后,投入了等离子体电流和水平位移反馈控制算法,成功将等离子体放电脉宽提升至200ms以上,且维持Ip≥100kA的时间超过了100ms,上述结果表明HL-2M装置运行控制技术得到了初步的检验。

HL-2M真空室制造工艺难点分析及优化

根据HL-2M真空室结构及运行工况,对HL-2M真空室制造过程的工艺难点进行了深入的分析。结合前期试验段制造经验,优化了真空室制造工艺,细化了真空室产品的制造工艺方案。通过优化后工艺措施的实施,提高了真空室的制造质量,并为后续磁约束聚变装置真空室的制造积累了大量的经验。

HL-2M装置真空系统调试运行

在装置初步建成阶段,有序地开展真空系统的调试内容梳理,制定合理的调试步骤和调试方案,有利于装置各系统的功能确认和故障排除,高效地开展各系统协同运行,为HL-2M装置初始等离子体放电提供装置辅助系统层面的放电条件准备。装置真空系统主要涉及超高真空抽气系统、器壁处理系统和送气加料系统等。基于制定的联调目标,针对HL-2M装置真空相关系统开展了界面关系梳理、子系统调试方案制定、系统工程联调步骤和方案的拟定等工作,通过联调完成了装置在真空获得、壁处理、加料等方面的条件准备,为初始放电提供了基本保障。

HL-2M装置主机安装工艺分析与研究

在HL-2M装置主机安装工艺方案制定和项目建设过程中采用CAD&CAE设计工艺分析方法,根据各系统功能需求和安装进度需求,多次优化了主机安装工艺方案,对各系统之间的位置关系进行检查并对安装方案进行了计算机辅助模拟,最终形成了完善的具有可实施性的安装工艺技术方案。对安装工艺方案进行了全面分析与研究,总结论述了基准网的构建和关键部件的测量、绝缘与垫层工艺方案,装置核心区域磁导率控制等问题,对未来聚变堆的建设与发展提供了有价值的设计和工艺参考。

HL-2M支撑系统制造工艺研究

在HL-2M装置支撑组件的研制中,采用了特制控氮不锈钢、结合GMS310焊丝和Ar(96%)+N2(4%)保护气体的焊接工艺以及低速和大进给量的机加方式把磁导率控制在≤1.03的设计范围内。为保障HL-2M装置装配时线圈系统的精确定位和安装,在研制阶段对极向场线圈支撑子系统进行了预装。

HL-2M装置集成安装进度控制研究

大型托卡马克装置集成安装工程子项多、接口繁多、工作空间狭小、系统复杂、参与人员众多,如何做好装置集成安装的进度控制至关重要。基于工程进度风险管理思维,详细分析了HL-2M装置集成安装进度控制风险因素,并探索了进度控制体系有效运行方式,为安装进度风险可控且实现进度控制目标提供了保障,也为我国大型磁约束核聚变装置集成安装标准化和规模化发展积累了经验。

HL-2M装置磁测量传感器的定位安装

通过数值计算评估了HL-2M装置磁测量传感器安装精度的要求,其中磁通环坐标(R,Z)的安装偏差要求达到±2.0mm以内,磁探针的(R,Z)偏差要求在±1.0mm以内、角度偏差在±0.1°以内。定位安装采用高精度激光跟踪仪和关节测量臂结合,设备定位精度在±0.3mm。根据不同种类的磁测量传感器的定位安装特点,优化设计了包括磁通环、磁探针阵列、逆磁同心圆等的定位结构,将HL-2M磁测量传感器的安装精度控制到在±0.5mm水平。

HL-2M初始等离子体第一壁安装研究

HL-2M初始等离子体第一壁主要由2mm厚度的护板及下部支撑构成,与HL-2M限制器共同构成HL-2M真空室内壁保护层。针对第一壁的结构设计及总体的安装规范,提出了第一壁整体的安装工艺方案,采用螺柱焊、氩弧焊对第一壁的支撑进行固定,采用可利用螺柱调节部件定位精度的辅助工装,并全程利用激光跟踪仪进行安装精度的实时调节。最终,完成了HL-2M初始等离子体第一壁总体安装,部件安装精度达到±2mm、焊缝质量满足一级焊缝要求、结构能承受3675N以上拉力。在HL-2M初始等离子体放电过程中第一壁运行良好。

HL-2M装置冷却水系统介绍

介绍了HL-2M装置冷却水系统的组成以及各子系统的循环流程、运行原理和运行参数。

300MVA脉冲发电机组滑差调节起动装置的设计及研制

300MVA脉冲发电机是中国HL-2M装置的主要供电电源,为了能够满足放电要求,对脉冲发电机组的起动装置滑差调节器进行了研究。基于绕线异步电动机的电气特性,采用电动机转子外接液体电阻的的方式起动机组。计算了在采用不同电流起动时液体电阻的大小以及起动时间,计算了电阻碱液流量及容量以及冷却水流量。根据恒电流起动方式提出了控制策略。确定了滑差调节器的液阻大小、碱液箱容积、碱液流量以及冷却水流量。对三相液体电阻值进行了测量及调整,以确保机组起动时电动机电流波动很小。调试结果表明,设计的滑差调节装置是可行的,可以为大功率高压电动机滑差调节装置的设计提供参考。

300MVA脉冲发电机高压变频器调速装置设计及调试

HL-2M装置300MVA脉冲发电机组的调速装置高压变频器主要由输入和输出部分、功率单元、控制部分组成。对高压变频器进行了调试及试验运行。试验表明其输入谐波含量小,输出波形也是完美正弦波,启动到工作转速的时间为16min,再加速时间未超过5min,能够满足实验放电要求。根据调试情况对空载电流及转子时间常数进行了优化,在空载电流为300A、转子时间常数为1.34s时,其性能为最优。