国家重大科技基础设施运行管理的改进方法与实践——以EAST全超导托卡马克核聚变实验装置为例

中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所先后建成中国第一个圆截面超导托卡马克核聚变实验装置,以及世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)。为持续改进EAST的运行管理,从顶层设计、组织实施和评估评价等方面分析EAST管理实践的有关探索与创新,具体包括:建立所领导、物理与实验运行部至一级系统的三级管理体系,能够更好围绕成果产出进行统一规划和分级管理;基于“计划—实施—检查—行动(PDCA)”管理理论,形成覆盖EAST运行周期的全过程管理机制;通过国内外评估制定设施中长期、近期计划,设置物理与实验运行部,负责主导EAST装置运行计划与目标的制定。另外,根据设施构成、结合运行需求设置一级系统,起用青年骨干担任负责人,分解任务、明确责任;同时,加强设施运行评估,部署实施系列改进举措,如优化基础研究组织模式和管理方式、创新国际合作模式等。根据EAST运行管理经验,对中国重大科技基础设施的运行和管理提出优化科研组织模式、完善管理方法、建设大科学工程团队、加强开放与合作等对策建议。

EAST全超导托卡马克装置

EAST全超导托卡马克装置坐落于安徽省合肥市的科学岛,是我国自主设计、研制并拥有完全知识产权的国际首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置,有“人造太阳”之称。EAST由Experimental(实验)Advanced(先进)、Superconducting(超导)、Tokamak(托卡马克)这4个英文词首字母拼写而成。

直驱式波浪发电用全超导初级励磁直线发电机的设计与分析

初级永磁直线电机具有次级结构简单的特点,十分适用于直驱式波浪发电。基于广泛应用于波浪发电的游标混合电机和磁通切换直线电机,本文提出一种采用超导绕组的初级励磁直线发电机,该电机的性能的得到大幅提高。通过超导绕组和多齿结构的设计可提高电机的磁场能量并克服易去磁和高定位力等游标直线电机的缺点。首先,介绍了电机的基本结构和工作原理,给出了电机超导励磁绕组和电枢绕组的设计结构,并完成了超导绕组的直流导电性能测试和交流损失计算。然后,通过二维有限元法,对电机的空载特性进行仿真分析,并与相应的游标混合电机和磁通切换直线电机进行了对比。另外,对电机的负载特性进行了仿真,并将其带载能力与磁通切换直线电机进行了对比。最后,采用一台磁通切换永磁直线电机验证了对其带载能力的有限元分析结果。所有结果表明,全超导初级励磁直线发电机相对其它两类电机具有其独特的优势。

全超导托卡马克中性束注入系统离子吞食器工程设计

结合全超导托卡马克中性束注入系统(EAST NBI)的工作原理,采用水冷热测靶形式的离子吞食器回收和测量未被中性化粒子。根据EAST NBI系统对离子吞食器物理特性、空间限制、测量需求及冷却性能等方面的要求,对靶板材料选择、结构设计及布置等进行了分析,给出了离子吞食器具体设计方案。该方案单侧吸收靶板呈V形结构,单个靶板冷却方式采用内置并联冷却水管结构。根据该方案加工获得了EAST NBI系统离子吞食器装置。仿真和实验校验结果验证了本装置可以满足NBI系统4MW高功率、10s长脉冲的运行要求。

EAST全超导托卡马克装置失超保护检测技术的现状及发展

EAST装置是"九五"国家重大科学工程项目之一,做为世界上第一个全超导托卡马克装置,其纵场和极向场线圈全部由超导磁体组成,进行安全,准确,有效的失超保护是装置安全运行的首要环节。如何在全超导托卡马克装置这样复杂的电磁环境进行失超检测在世界上也无先例可寻。EAST上失超检测系统经过几十轮单饼超导线圈实验及两轮装置正式放电实验后逐步建立和完善起来,并已通过工程验收达到装置实验运行要求。主要介绍了EAST超导装置失超检测系统的基本结构和检测原理,同时还简述失超检测技术的发展并给出了实验结果。

我国将建造世界第一个全超导“人造太阳”实验装置

在地球上模拟太阳，利用热核聚变为人类提供源源不断的清洁能源，中国的科学家们正朝这一理想加快前进步伐。从中科院等离子体物理研究所了解到，目前世界上第一个全超导核聚变“人造太阳”实验装置，已在安徽合肥进入总装。

中国科学家率先研制出24T全超导磁体

日前,中科院电工研究所王秋良研究组采用自主研发的高温内插磁体技术,将YBCO内插磁体在15T超导背场下的中心磁场提高到了24T@4.2K,使得中国成为继美国、日本、韩国之后实现24T全超导磁体的国家。与Bi2223内插超导磁体相比,YBCO超导磁体具有更高的上临界磁场和临界电流,运行稳定性更高,更易获取极高磁场。

EAST安全联锁监管系统设计

全超导托卡马克装置(Full Superconducting Tokamak,FST)所有主要磁体均为超导磁体,其运行风险大大高于现有的其它超导托卡马克。EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)是一个全超导托卡马克装置,为了避免人员和装置出现意外事故,建立了联锁系统与安全系统。安全联锁监管系统位于EAST联锁系统与安全系统的顶层,协调各分控系统的安全运行。根据EAST安全联锁系统的需求,采用可编程逻辑控制器、联锁信号光纤网和光电转换设备,建立了安全联锁监管系统,实现了事件收集、信号循环扫描、保护动作输出、系统状态和故障日志信息记录和实时监控等功能。该系统实际扫描周期平均值约0.7 ms,最大值约3 ms,达到了EAST安全联锁系统的要求。

超导同步电动机温度场计算与分析

为判断高温超导电机超导体及永磁体运行的稳定性,准确计算电机内的温度场十分必要。以全超导样机热性能为研究对象,首先利用时步有限元方法建立二维正弦时变电磁场模型,得到了电机定转子损耗分布。根据传热学原理,通过数值分析给出定子表面散热系数的计算方法。然后计算分析高温超导电机的温度场。通过计算结果与实测数据的对比分析,验证所给方法的正确性,得出一些有益的结论,为设计安全可靠的超导电机奠定了一定理论基础。

EAST安全巡检与联锁保护系统设计与实现

全超导托卡马克系统不同于常规托卡马克系统,有独特的运行特性和更高的运行风险。安全巡检与联锁保护系统是托卡马克系统中必不可少的一个重要组成部分。EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)是我国自主研发的世界上第一个全超导托卡马克系统。本文详细分析了EAST的主要运行风险,针对运行风险制定的各子系统的安全监测和保护机制,及分布式EAST安全巡检与联锁保护系统的系统体系结构和系统的实现。EAST已在中国科学院等离子体物理研究所建成并于2006年9月运行成功,获得等离子体,本系统已在EAST装置的2006～2007年度的几轮实验中成功应用。

特约主编寄语

受控核聚变能源是通过受到约束和控制的热核聚变反应获取能源的一种技术手段,也是人类尚未完全掌握的一种能源获取方式。受控核聚变能源研究已经持续开展了半个多世纪,至今仍然是人类共同面临的难题,也是充分体现国家科技创新能力的重要研究领域之一。目前,我国在受控核聚变研究领域取得了一系列的阶段性成果,以参与国身份参加了迄今为止全世界最大的国际科技合作项目“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”;东方超环(EAST全超导托卡马克)装置、中国环流三号装置、聚变堆主机关键系统综合研究设施等国家重大科技基础设施的建设。

超导磁体技术与磁约束核聚变

[目的]磁约束核聚变是解决能源问题的有效途径之一。为了实现准稳态运行,超导磁体(特别是高场高温超导磁体)已成为未来托卡马克设计的首选方案。[方法]介绍了EAST的最新实验进展及未来研究计划,并从超导磁体技术方面总结了未来聚变装置CFETR的最新进展。[结果]2021年底,世界首个全超导托卡马克EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)成功实现1 056 s长脉冲高参数等离子体运行,创造最长运行时间的世界记录。[结论]中国聚变工程试验堆(CFETR, China Fusion Engineering Test Reactor)的设计已经完成,它将填补国际热核聚变实验堆(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor)和示范堆(DEMO)间的空白。

EAST超导托卡马克装置外真空杜瓦容器的制造

本文介绍了中国科学院等离子体物理研究所EAST（HT-7U）全超导托卡马克实验装置外真空杜瓦大直径不锈钢高真空容器的制造工艺方案，以外真空杜瓦筒体部件和上封头部件的制造工艺为例，分析了制造中的工艺难点，提出了相应的对策．为今后同类大型不锈钢高真空容器的制造，为确保产品质量、简化工艺装备设计、加快制造进度提供了工艺措施，积累了经验。

基于LightGBM的EAST杂质破裂预警

对全超导托卡马克核聚变实验装置东方超环(EAST)运行放电期间发生的杂质破裂进行预测对未来的聚变装置的长脉冲稳态放电有重要意义.根据杂质破裂的物理特性筛选出的2018年的334炮杂质破裂炮数据以及2021年的1628炮非破裂炮作为训练炮,再由等离子体平衡、密度、电流以及辐射等8种诊断信号组成的训练样本以LightGBM算法训练出杂质破裂预测模型.实验结果表明LightGBM算法模型可以对杂质破裂进行准确预测(成功预测率96.29%),非破裂炮的误判率6.87%.研究结果证明利用LightGBM进行EAST等离子体杂质破裂预警是可行的方案.

403秒!我国人造太阳创造新的世界纪录

4月12日21时,正在运行的世界首个全超导托卡马克EAST装置获重大成果,实现了高功率稳定的403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,创造了托卡马克装置稳态高约束模运行新的世界纪录。EAST装置取得的重大创新成果,为国际热核聚变实验堆ITER运行和我国自主建设运行聚变堆提供了重要的实验基础。

EAST托卡马克的中性束注入方案

高能中性束注入(Neutral beam injection,NBI)是核聚变装置托卡马克采用的芯部辅助加热和非感应电流驱动主要手段之一。本文介绍了国家大科学工程全超导托卡马克实验装置(Experimental advanced super- conducting tokamak,EAST)上的高能NBI加热方案及注入器的工程要求,并讨论了中性束在EAST等离子体中的传输等相关问题。

Pt100温度计电阻和温度关系的拟合

全超导托卡马克(Tokam ak)装置EAST是国家"九五"大科学工程,温度参数是超导磁体最重要也是最基本的运行参数之一。工作在液氮温区的装置部件的温度通过铂电阻温度计Pt100进行监测。根据温度计的一组实测R-T数据进行拟合,得到与实际温度逼近度高的R-T关系函数,从而提高了EAST装置液氮温区温度测量的准确度。

EAST中央控制系统

描述了EAST中央控制系统和EAST虚拟合作实验室系统的体系结构和各个部分的主要功能和设计思想。EAST中央控制系统主要功能是协调统一各个控制、诊断、采集子系统,为各个子系统提供统一的控制接口。EAST中央控制系统制定和规范了与各分控系统之间的通信协议,加强了对各分控系统的控制,统一和规范了控制数据的发布和控制参数的设置。系统按照功能模块设计和实施,有效地提高了系统的升级和扩展能力。