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。

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-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-2M装置5 MW中性束加热束线离子源放电室研制

为了给HL-2M装置建设一条5 MW中性束加热束线,开展了中性束加热用热阴极弧放电离子源放电室的研制。这条中性束束线包含4套80 kV/45 A/5 s离子源,放电室的设计指标为850 A/5 s。首先采用CST软件中的电磁工作室对特定几何结构的放电室会切磁场进行了模拟计算,得到了会切磁场分布,验证了会切磁场布局的合理性。针对放电室加工工艺和实验过程中局部拉弧等问题,对放电室结构进行了不断改进。放电室侧壁由40列会切磁体改为7圈环形磁体,阴极灯丝结构从灯丝板结构最终改为陶瓷可伐结构,并且在放电室和加速器之间增加了陶瓷屏蔽。在阴极板结构放电室和阴极陶瓷可伐结构放电室内都获得了正常的弧放电。最终定型的放电室采用周边7圈环形会切磁体和陶瓷可伐结构。在定型的放电室内达到了5 MW中性束束线离子源弧放电的指标。弧放电时间接近5 s,最大弧放电电流达到1 000 A。

HL-2M装置电子回旋共振加热及电流驱动系统设计与研制进展

根据HL-2M装置物理实验加热的需求,完成了总功率为8MW的电子回旋共振加热及电流驱动(ECRH/ECCD)系统设计,开展了波源、传输及天线等关键部件研制。8MWECRH/ECCD系统,由8套105GHz/1MW/3s波源系统、8条内径为63.5mm的真空传输线及三套极向实时可控的发射天线构成。目前,已完成ECRH/ECCD系统关键部件研制及其相关的桌面与高功率性能测试。测试结果表明,微波源回旋管输出微波功率达到;MW/3s,在真空度为10-2Pa的过模波纹圆波导传输线中能低耗稳定传输,发射天线极向全量程角度转动响应时间在50ms以内。

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装置真空室设计

HL-2M真空室结构为“D”形截面的双层-薄壁-全焊接式-环状结构,内环直径2m,外环径5.22m,高3.02m,由20个扇形段组成而成。真空室上开设有121个窗口以满足真空抽气、实验诊断、辅助加热及工程安装等方面的要求;支撑采用滑动杆式结构;材料选用Inconel625、Inconel718与316L组合。运用有限元法对真空室进行了结构强度评估,真空室满足设计要求。

HL-2M装置5MW-NBI加热束线偏转磁体研制

根据HL-2M装置5MW-NBI加热束线总体设计参数、注入器的部件空间布局、几何汇聚特点等,建立了基于8饼线圈的注入器偏转磁体3D模型。利用电磁场模拟软件CST Studio详细模拟了注入器的偏转磁体产生的偏转磁场分布,不同成份离子束的偏转轨迹。在模拟分析结果的基础上优化了偏转磁体的物理结构,完成了磁体的工程设计、加工和测试。偏转磁体的磁场测试结果表明,测试值与CST计算值的偏差小于±5%,达到注入器偏转磁体设计要求。

HL-2M装置实时等离子体平衡重建算法

利用模拟得到的平衡数据进行了等离子体平衡重建,将结果与准确的平衡结果进行细致对比,验证实时等离子体平衡重建程序的准确性;同时在模拟产生平衡数据的过程中引入随机误差,验证反演程序的强壮性。此外,实时等离子体平衡重建程序还使用EAST装置的实验数据进行反演,将反演结果与EAST的RTEFIT反演结果对比,验证了单一时间平衡重建结果和连续时间反演结果的正确性。结果表明,选择合适的电流分布模型和磁诊断数据,通过等离子体平衡重建算法可以正确识别等离子体位形。

HL-2M装置300MVA脉冲发电机组电气制动系统研究

为给HL-2M装置300MVA脉冲发电机组频繁启停和重大故障时快速停机提供保障,发电机组电气制动系统采取电气制动和机械制动相结合的运行方式。介绍了300MVA脉冲机组电气制动的特殊性,对六相脉冲同步发电机组电气制动进行了理论分析,确定了电气制动的主回路和控制方案。基于经验证的发电机模型,对正常工况和极端工况下机组电气制动过程进行了动态模拟,确定了主要设计参数,制动励磁电压和制动电阻分别为40V和0.1Ω。

HL-2M装置欧姆放电的数值模拟

利用TSC程序对HL-2M装置的纯欧姆放电参数进行了首次数值放电模拟,证实了极向场线圈系统具有实现预设的宏观等离子体参数的能力。数值放电模拟还利用基本的位移控制和等离子体电流控制系统实现了从孔栏位形到下单零偏滤器位形的稳定演变。模拟提供的一些主要结果为工程和物理目标设计提供重要的参考。

HL-2M装置环向场线圈导体材料的选择和制造

为利于HL-2M真空室(VV)及极向场线圈(PFC)的整体安装,环向场线圈(TFC)采用比特板式结构,这种结构需要用到高强度高导电性能的大尺寸异形铜合金厚板以便满足线圈复杂受力的要求。通过应力分析,确定了在TFC上使用的3种铜合金。介绍了大尺寸异形铜合金板材的制造工艺和铜板多项性能的测试结果,结果表明异形铜合金板材的尺寸及各项性能均满足了HL-2M装置环向场线圈的工程设计及加工要求。

HL-2M装置极向场线圈大截面铜导体的制造工艺研究

介绍了HL-2M装置极向场线圈所需的大截面外方内圆铜导体的规格,用二辊周期式轧管机进行冷轧的工艺技术以及所做的多项检测。用这个技术制造了具有冷却水孔道的大截面外方内圆铜管。测试结果表明,该工艺生产的外方内圆铜管在尺寸及各项性能上均满足HL-2M托卡马克装置极向场线圈的加工要求。

HL-2M装置第一壁传热结构设计及传热性能测试

在HL-2M第一壁传热结构设计中,利用导热管的轴向快速导热特性及较短的传热路径,将面对等离子体的第一壁表面热量快速传至真空室内壁上。第一壁背板和真空室内壁上分别焊接导热铜块作为冷热连接端,导热管嵌入其内,导热管与铜块之间增垫导热金属箔并用压板固定压紧,以增强接触界面传热。根据此传热结构设计,设计加工了相应的传热性能测试试验件。通过对试验件进行传热性能测试及实验条件外推可知,试验件冷热端面间的最大传热功率为4kW,端面间最大对流换热系数为6k W·m-2。

HL-2M装置放电管理平台研制

HL-2M装置放电管理平台的主要功能是为装置运行人员提供一个运行时序系、PLC逻辑保护系统和反馈控制系统的平台。在放电间歇,它在历史数据的基础上预置下一次放电的各种控制波形、配置各个技术子系统的运行模式和运行参数。其基于反射内存的通讯机制主要负责将控制参数和预设波形以有效的、可靠的方式传递到其它子系统中。与各相关子系统之间的联合调试表明,HL-2M装置放电管理平台运行可靠。

HL-2M装置低杂波天线子波导设计与波谱计算

HL-2M装置低杂波天线被设计为多栅阵列天线,天线由4行波导组成,每行32个子波导。子波导宽度为0.99cm,壁厚0.3cm,相邻子波导相差取90°。计算得到的反射系数R=0.0261,N||峰值中心为2.375。边缘等离子体电子密度梯度对波谱峰值中心位置没有影响,波峰相对宽度则随之增大而减小。在边缘等离子体电子密度梯度▽ne=2×1012cm-4的情况下,相邻子波导相差为81°时,天线方向性系数最好,为0.2010;反射最小,为0.0223,此时波谱峰值中心为2.125。

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装置支撑结构工程设计

HL-2M装置的支撑结构系统,该系统由装置基础及重力支撑结构、极向场线圈及真空室支撑结构和环向场线圈防倾覆支撑结构等三部分组成。本文介绍了HL-2M装置支撑结构工程设计情况。

HL-2M装置300MVA脉冲发电机组的设计

为了满足HL-2M装置的供电需求,建造了一套额定功率300MVA、额定释能1350MJ的脉冲发电机组。通过对机组卧式和立式两种方案的前期设计和对比分析,确定机组采取轴系稳定性更高的立式无单独飞轮方案。机组由六相凸极同步发电机和同轴的8500kW异步电动机组成,为国内首台采取立式结构的大功率脉冲发电机组。其技术设计主要包括机组结构设计和发电机电磁设计等内容,并通过机组等效模型对其启动和放电动态过程进行了模拟仿真研究。研究结果显示,设计的机组在15min内能启机到额定转速498rpm,发电机电磁参数能满足HL-2M装置的特殊负载放电要求。机组的前期设计和技术设计为机组成功研制打下了良好基础,建立的仿真模型可以作为后期机组运行控制策略研究的辅助工具。

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。