中国环流器二号M(HL-2M)托卡马克主机研制进展

新建的中国环流器二号M(HL-2M)托卡马克装置,采用更为先进的结构与控制方式,其等离子体电流能力从国内现有的1兆安培提升到2.5兆安培以上,将大幅提升装置运行能力,开展面向ITER乃至未来聚变堆的等离子体科学技术问题的研究。本文介绍了HL 2M装置主机设计背景,强调了等离子体科学研究的意义,重点介绍了主机的线圈、真空室和支撑结构的设计和研制进展,简要介绍了工程整体进展情况。

HL-2M托卡马克装置低温液氦系统的初步设计

根据中国核聚变研究的发展需要,核工业西南物理研究院正在建造HL-2M托卡马克装置作为等离子体物理和受控聚变工程技术研究的实验平台。依计划,HL-2M装置将采用低温液氦系统为三台中性束低温泵、两台环形低温泵以及一套电子回旋共振加热系统提供共500W@4.5K的冷却。该低温系统由氦液化车间,氦回收纯化循环系统和低温用户的供给分配系统三部分组成,将兼顾超临界氦冷却模式和迫流冷却两种模式。由于每个用户都有特殊的工作要求,除电子回旋共振加热系统外,该系统为每个用户配置了独立的复合传输管线和低温分配阀箱,以减少用户间的互相干涉,确保低温用户安全稳定的运行。文中对此低温系统进行了分析研究并作出初步设计。

托卡马克混合运行模式下电子回旋波杂散辐射数值模拟

电子回旋波(EC波)在等离子体加热与电流驱动过程中未被等离子体完全吸收时将会产生杂散辐射。在HL-2M托卡马克三种混合运行模式参数条件下,利用TORAY-GA程序扫描105GHz EC波中平面发射时的环向和极向发射角,以EC波功率吸收份额η>η_(c)(η_(c)=95%)作为判断能有效避免杂散辐射的标准,开展EC波功率吸收数值模拟。研究发现发射角是影响EC波不完全吸收造成杂散辐射的关键因素之一。在n_(e1)=4.6×10^(19)m^(−3)、T_(e1)=7.41keV、I_(p1)=1MA和n_(e2)=5×10^(19)m^(−3)、T_(e2)=6.95keV、I_(p2)=1MA的参数条件下,能够有效避免杂散辐射的EC波发射角超过设计范围,在设计发射角范围内调节EC波发射角进行加热和电流驱动时可以忽略杂散辐射的影响。当参数为n_(e3)=6.5×10^(19)m^(−3)、T_(e3)=6.62keV、I_(p3)=0.95MA,设计发射角度范围中有一大部分会使得EC波有非常低的波功率吸收份额,需要特别注意杂散辐射。除发射角度外,电子密度是影响杂散辐射的另一个关键因素,电子温度影响非常小,可以忽略不计。

HL-2M等离子体对共振磁扰动线圈电流相位响应的模拟

在HL-2M托卡马克平衡位形(I_(p)=1.0MA,β_(N)=1.62,q_(95)=4.01)下,使用环形单流体程序MARS-F研究了等离子体对共振磁扰动(RMP)线圈电流相位差的响应。在最优相位差时,扰动磁场显著地改变边界层磁场的拓扑,形成明显的磁岛链,增加了等离子体在边界层的输运,降低了压强梯度,减小了对ELM的驱动。模拟结果显示,扰动场环向模数为n=1时,最优的相位差约为180°;n=2时,最优的相位差约为150°;n=4时,最优的相位差约为-30°。

HL-2M氦回收纯化系统建设

核工业西南物理研究院正在建设的HL-2M托卡马克液氦低温系统中低温用户每周实验需消耗约16m^3液氦,所以设计了一套氦回收纯化系统,此系统包含了回收、储存、纯化三个部分。回收系统由两台流量分别为50m^3/h和100m^3/h高压活塞压缩机组成;储存系统由中高压储罐及气囊组成,最大存储能力6000m^3,其中4800m3高纯氦及1200m^3非高纯氦;纯化系统核心设备为纯化器,纯化器出口的氦气纯度达到99.999%以上。系统建成后最大氦气回收速率为150m^3/h。

HL-2M装置磁探针研制

介绍了HL-2M装置磁探针的研制,包括有效面积和极向布局的设计、骨架加工和探针绕制、有效面积和频率响应的标定以及定位安装。通过提高加工精度、有效面积的标定精度和定位安装精度,保证了磁探针系统的测量精度。目前,已经在HL-2M装置上完成了两组极向阵列的安装。

HL-2M装置氦回收纯化系统的设计与调试

核工业西南物理研究院为HL-2M托卡马克装置建设了一套氦回收纯化系统,主要包括氦气存储系统、氦气回收系统及氦气纯化系统。其中氦气存储系统最大存储能力6 240 m^(3);氦气回收系统主要包括一套50 m3/h高压活塞压缩机;氦气纯化系统的核心设备是一套120 m^(3)/h高压纯化器氦气。利用高压压缩及低温冷凝吸附原理,目前该系统开展了压力管道耐压测试,氦压缩机性能测试以及回收纯化性能调试,压机整机泄露率达到0.7×10^(-8)Pa.m/s满足要求。出口氦气中的氮含量0.01 ppm,水含量1.46 ppm,碳氢化合物含量0.31 ppm,油含量2.92 ppb,出口纯度稳定在99.999%以上,达到设计要求。HL-2M装置氦回收纯化系统的调试成功,将提升后续低温系统的氦气液化和分配能力,为HL-2M装置的稳定运行提供保障。

HL-2M PF不对称电源设计

HL-2M托卡马克装置的PF电源有着特殊的电压电流要求,其电流呈现出极不对称的特性,本文通过PWM电流跟踪技术,在MATLAB上对PF电源的运行方案进行了初步的仿真,验证了此种方案的可行性,并给出了相关器件的理论参数,为下一步的工程设计提供参考。