HL-3装置ECRH天线系统研制

电子回旋共振加热(Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH)系统是中国环流三号(HL-3)实验装置的一种重要加热和等离子体电流控制方法,微波通过天线发射器注入等离子体,是ECRH系统的重要组成部分。根据ECRH系统需求,对其天线系统进行了概念设计和光路设计以及具体的天线制作,并进行了测试与安装。HL-3装置ECRH天线系统由三个天线组成,包含一个中平面天线和两个上斜天线,三个天线位于装置弱场侧的同一扇段,可协同完成加热、新经典撕裂模(Neoclassical Tearing Mode,NTM)控制等功能。目前已经完成其中两个天线的设计、制造和测试,另外一个天线完成了发射光路的设计。测试结果表明:中平面天线和上斜一号天线控制精确、快速,达到了装置实验使用的要求。

HL-3装置上离子回旋波加热对中子产额的影响

离子回旋射频(Ion Cyclotron Range of Frequencies,ICRF)波加热是托卡马克装置上至关重要的辅助加热方式之一。托卡马克装置中国环流三号(HL-3,原名HL-2M)拟安装加热功率为6 MW的ICRF加热系统。本工作利用TRANSP程序,模拟并研究了ICRF加热的频率和功率对聚变中子产额以及快离子分布的影响。研究结果表明:ICRF的频率和功率对中子产额有显著影响,固定ICRF频率时,中子产额与加热功率成正比关系,而在固定ICRF加热功率的情况下,中子产额的增加幅度显著依赖ICRF的频率,在研究参数范围内,30 MHz的ICRF对中子产额的增加具有最显著的增强作用。快离子分布的模拟结果显示,在考虑ICRF加热后,中性束和ICRF的协同加热机制能够将快离子加热至最高1 MeV,有效地提高了中子产额。此外,基于中子相机诊断的概念对中子信号进行了仿真。结果表明,中子相机能够有效地测量到由ICRF加热导致的中子产额高低和分布剖面的变化,这为将来优化中子相机诊断系统设计和测量中子空间分布提供了一定的参考。

HL-3装置碳基第一壁螺栓预紧力分析

通过对HL-3装置第一壁基本模块进行高温下的螺栓预紧力分析,获得第一壁结构的应力分布及螺栓预紧力的变化情况,为碳基第一壁结构的现场安装提供数据支撑。

HL-3装置碳基第一壁系统地震响应谱分析

针对HL-3碳基第一壁系统进行了地震工况分析。建立了包含装置主体系统的整体模型,通过模态分析获得第一壁系统的基本动力学特征。采用响应谱法对第一壁分析模型进行地震分析,计算出第一壁结构在工况下的变形和应力分布。分析结果表明,碳基第一壁满足结构设计安全性要求。

HL-3装置电子回旋共振加热系统中上斜一号天线光路的改进与测试

针对HL-3装置等离子体实验的不同目的,为电子回旋共振加热系统设计了3组发射天线,其中上斜一号天线包含两束微波,其主要功能是控制MHD的不稳定性及实时抑制新经典撕裂模(NTM)。要实时控制与抑制NTM不稳定性,需要依靠天线快速改变注入角度,向磁岛位置发射微波。针对之前光路设计存在的问题,对上斜一号天线聚焦镜进行了重新设计,并完成了加工制造。在光线测试平台使用激光模拟微波,测试了此天线的性能。经测试天线左右两电机在满量程(入射角度-15°~-80°)运行时的最快变化时间分别为189.875ms和189.5ms。测试结果表明,天线控制精确、快速,达到了装置实验使用的要求。

HL-3装置环向场线圈热工分析

利用COMSOL Multiphysics软件对HL-3装置环向场线圈(TF)进行了热工水力分析,研究了不同工况下线圈的冷却效率,得到了冷却水的压力、流量及温度分布情况。分析结果表明,TF线圈的冷却时间控制在900s内完全可以满足装置的冷却需求。在140kA和190kA电流的条件下,一次通电周期内线圈的最高温度不会超过80℃,不会对线圈之间的匝间绝缘造成破坏。TF线圈的主要发热集中在中心柱段,在对线圈施加冷却措施下,600s时线圈的温度可以降到较低的范围,900s时可以使线圈得到充分的冷却。线圈内部管道中的冷却水流速控制在2~4m·s^(-1)较为合适,入口压力不宜超过0.45MPa。在必要的情况下,可以将TF线圈的冷却时间减少至600s。

HL-2M装置内部输运垒湍流输运的GTC模拟研究

HL-2M托卡马克是我国新一代磁约束聚变等离子体装置,目前已经实现了等离子体电流1 MA的高参数运行模式。本文采用回旋动理学GTC(Gyrokinetic Toroidal Code)程序,研究了具有双输运垒结构的先进运行模式下该装置内部输运垒(Internal Transport Barrier,ITB)的湍流输运。研究结果表明:ITB湍流输运呈现两次连续饱和过程,计算获得的平均离子热扩散系数约为首次饱和水平的两倍。对湍流发展的极向谱和线性色散关系的研究表明,第一次饱和湍流输运由波长kθρi~2.15的短波模式主导,而第二次饱和以kθρi~0.49的长波模式主导;同时,体系湍流的能量由短波模式反向级联到长波模式,湍流饱和阶段径向热扩散系数在输运垒位置处呈现“M”形分布。考虑等离子体带状流结构,数值模拟结果表明:该运行模式下带状流对湍流输运饱和水平没有明显的影响。此外,输运垒等离子体温度和密度梯度最大处对应的湍流饱和期的径向离子热扩散系数最低,极大地增强了对等离子体的约束。

基于PLC的HL-3装置中性束逻辑控制系统设计

[目的]中性束注入(NBI)是中国环流三号(HL-3)托卡马克装置重要的等离子体加热和电流驱动手段。NBI加热系统是涉及真空、电力电子、机械、自动控制、气体放电等多学科、多领域的复杂系统。控制系统是NBI加热系统可靠运行的基本保证,可实现对加热系统现场设备的远程控制、运行状态的实时监控和放电实验的逻辑控制。[方法]根据NBI加热束线控制需求确定PLC系统的硬件配置,组建了以西门子S7-416为主控制器,以Profibus-DP网络和工业以太网为基础,以光纤为传输介质的分布式I/O系统。采用组态软件STEP7实现硬件组态、通信连接和程序编写,利用界面软件WinCC完成集中管理、过程监控和信息归档。[结果]PLC系统能够实时监控现场设备状态,与NBI控制系统进行数据交换,指导现场设备稳定运行。此外,图形化的用户界面使得实验过程可视化,真空值、流量和温度的实时显示,为实验运行人员提供了及时的状态信息。[结论]整个PLC系统高效可靠,重复性好,具有良好的兼容性和可扩展性,实现了对NBI束线现场设备的监测和控制。

HL-3装置台基区边缘局域模的数值模拟研究

基于剥离气球模模型,采用BOUT++中三场elm-pb程序对HL-3装置中台基区边缘局域模(ELM)进行了数值模拟。研究结果表明,HL-3中台基区主导ELM的环向模数为n=25,驱动ELM的因素为电流主导的剥离气球模不稳定性,台基剖面垮塌集中在压强梯度最大处。此外,数值模拟结果显示在HL-3装置中台基区ELM幅值较小,是一种草丛型边缘局域模。

基于超级电容储能的HL-3装置中性束逆变型高压电源模块设计

高压电源是中性束注入加热系统的重要组成部分,决定着束能量和引出束流的品质。随着电压等级的逐步提高,脉冲阶梯调制(Pulse Step Modulation,PSM)高压电源无法满足实验要求。为了实现中性束调制注入功率的快速切换,提出一种基于超级电容储能的逆变型高压电源。采用超级电容储能方式,降低所需电网容量,减小对电网的冲击。采用软开关技术的直流(DC)-直流(DC)谐振变换器结构,提高电源的响应速度,减小开关器件的开关损耗。设计电源模块电路拓扑,根据电源性能指标要求完成系统建模计算。建立充电电路和主回路的电力仿真软件PSIM(Power SIMulation)仿真模型,对电源性能指标进行仿真验证。最后搭建了逆变电源模块测试样机,进行了阶跃响应、电压纹波和软开关性能指标测试。仿真及实验验证结果表明:设计的电源模块能够实现1 600 V/50 A的稳定输出,满足6 MW/120 kV设计要求。

HL-2M装置控制系统的概念设计

介绍了HL-2M装置控制系统的静态架构、动态行为、控制理论以及模拟仿真。设计采用通讯网络将各控制子系统有机地连接起来,以实现各子系统的实时通讯和控制。等离子体放电控制系统将保证实验的各种参数达到预定要求,监控系统的故障处理机制可以减少各种实验异常对装置造成破坏,磁场控制系统的各种控制器则用来控制等离子体电流和位形,模拟仿真系统可以实现方便地验证控制器的目的。

HL-1装置的低q放电实验

装置获得的最低qL值是衡最托卡马克磁流体不稳定性的控制水平的重要品质参数.通过精细调节补充送气和电流上升率的方法控制电流密度分布,使用钛吸气方法控制边缘等离子体参数,HL-1装置获得了最低qL值为1.8的稳定等离子体。实验结果表明,若电流上升率与密度上升率之比为(23—40)×10^(-19)kA·m^3的范围内,最利于获得低MHD增长率的稳定放电。预计这与中心q(0)<1峰化的电流密度分布有关。

HL-2M装置基本位形初步设计

利用EFIT为HL-2M装置设计了孔栏位形、双零偏滤器位形和下单零偏滤器位形三种典型平衡位形;三种位形满足HL-2M装置的物理目标给出的位形参数的总体要求,即大半径1.78m、小半径0.65m,且位形具有高拉长比、大三角形变等特点。同时充分考虑CS线圈电流对位形的影响和PF线圈电流限制,分别设计了等离子体电流为1.2MA和3MA的三种基本位形放电波形;利用TSC分析了等离子体电流为1.2MA的HL-2M装置放电演变过程中伏秒数消耗。

HL-1装置等离子体密度控制的研究

本文分析了目前HL-1装置等离子体密度的控制方法。实验结果和分析表明,用控制粒子源、提供负源和改变通最的三种途径相结合来控制粒子数的变化,是一种有效的密度控制方法。

HL-1M装置超声分子束流注入过程中的团簇现象

在 HL- 1M装置上最近改进后的超声分子束流加料实验中 ,发现边缘等离子体的 Hα线辐射信号沿大环方向呈现有序变化。在超声分子束注入口附近区域 ,Hα信号为长方形正脉冲 ,类似于分子束注入脉冲 ,而在远离注入口区域的边缘 Hα信号为负尖脉冲。在注入口附近区域 ,用静电探针测得的径向电子温度和密度在超声分子束注入期间分别下降和上升了一个数量级。CCD相机拍摄分子束与等离子体相互作用产生的 Hα 线辐射强度分布等实验结果表明 ,注入的“冷通道模型”可能是成立的。根据高压气体射流形成团簇的经验定标律Γ * =kd0 .85p0 / T2 .2 90 ,通常Γ * >10 0即有可能出现团簇。本实验中Γ* 的值约为 12 7,有可能形成团簇。分子束流中出现团簇有利于增加注入的深度。在超声分子束注入过程中呈现的新实验现象与团簇的联系有待进一步研究。

HL-2A装置第一壁石墨组件研究

HL 2A装置的第一壁由石墨构件、Cu偏滤器靶板和AISI304LN不锈钢真空室内壁组成。石墨构件总重量为44kg,覆盖面积为2 8m2,覆盖率为2 2%。由于HL 2A装置所用石墨件材料均为历经长期托卡马克实验和长期暴露大气的石墨材料,因此石墨构件的处理效果显得更为重要。介绍了EK98、SMF 800石墨材料、ASDEX装置用CFC、国产CFC的研究结果和HL 2A装置第一壁石墨材料预处理及其结果。

HL-2A装置供电系统

描述了HL-2A装置供电系统,该系统主要由三套飞轮脉冲发电机组、磁场电源系统和辅助加热高压电源系统组成。电源系统总脉冲容量达到300MVA,一次脉冲释能1200MJ。简要介绍了电源的控制系统和实验结果。

中国环流器二号A装置(HL-2A)工程研制

中国环流器二号A装置(HL 2A)(设计指标:大半径1.65m、小半径0 4m、环向磁场2 8T、环向等离子体电流480kA)是我国已建成的第一个偏滤器托卡马克实验型磁约束聚变装置。HL 2A装置的首要研究目标是利用其独特的大体积极向偏滤器在高参数等离子体条件下开展与偏滤器位形运行有关的研究。本文总结了HL 2A装置工程设计、制造与安装、工程调试等研制的主要内容和关键技术。工程调试和初步物理实验的结果表明:HL 2A装置的主要工程参数和性能已具备开展物理实验的条件,并已成功地运行于偏滤器位形。2003年11月底,HL 2A装置获得等离子体电流168kA,等离子体存在时间920ms,等离子体线平均密度1.7×1019m-3,环向磁场1 4T,极限真空度为4.6×10-6Pa。

HL-1M 装置的真空进展

总结了１９９４ 至１９９８ 年度ＨＬ－１Ｍ 装置的真空进展，包括真空壁条件、真空运行参数、放电进展。

HL-1M装置离子回旋共振加热系统及初步实验

新建成的HL1M装置离子回旋共振加热(ICRH)射频系统,经工程联调,已达到输出功率500kW、脉宽100ms、频率26～36MHz。在环向场BT=2T、等离子体电流Ip=150kA、电子密度ne=(1～5)×1013cm-3条件下,首次对HL1M装置以氢为少数粒子的氘等离子体进行了离子回旋共振加热实验,使电子温度上升了20%。