中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置工程與實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

段旭如，丁玄同

（核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 610041）

能源短缺和環(huán)境污染是世界社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的兩大主要問(wèn)題，因此，世界各國(guó)都在大力探索和發(fā)展非化石新能源。核聚變能源因具有資源無(wú)限、不污染環(huán)境、不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)，是目前認(rèn)識(shí)到的可以最終解決人類社會(huì)能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題、推動(dòng)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。所以，開(kāi)發(fā)核聚變能源，對(duì)于我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)意義。

實(shí)現(xiàn)受控核聚變有磁約束和慣性約束兩種途徑。在國(guó)際上，磁約束核聚變研究始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)歷了從快箍縮、磁鏡、仿星器到托卡馬克不同磁約束方式的幾個(gè)探索階段。要實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩?，幾個(gè)主要的等離子參數(shù)必須達(dá)到一定值，即溫度要達(dá)到一億度以上；等離子體被約束在一定空間的時(shí)間（能量約束時(shí)間）要足夠長(zhǎng)；這個(gè)時(shí)間與等離子體密度的乘積須超過(guò)1020s/m3。這樣才能在單位時(shí)間、單位體積內(nèi)釋放出足夠的核聚變能以維持核聚變反應(yīng)堆的運(yùn)轉(zhuǎn)并有可觀的能量輸出。因此，受控?zé)岷司圩冾I(lǐng)域研究的重點(diǎn)是在科學(xué)和技術(shù)方面如何使等離子體達(dá)到這些條件。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)際磁約束受控核聚變實(shí)驗(yàn)研究在托卡馬克裝置上取得了顯著進(jìn)展，一些大型托卡馬克裝置(如歐共體的JET、美國(guó)的TFTR、日本的JT-60U等)相繼建成并成功地投入運(yùn)行，多項(xiàng)聚變關(guān)鍵技術(shù)得到了迅速發(fā)展，等離子體參數(shù)不斷提高。1997年在位于英國(guó)的JET裝置上創(chuàng)下了輸出聚變功率16.1 MW、聚變能21.7 MJ的世界最高紀(jì)錄。近幾年來(lái)，JT-60U獲得了聚變反應(yīng)堆級(jí)的等離子體參數(shù)，等效聚變功率增益達(dá)到1.25。在托卡馬克裝置上取得的這些進(jìn)展驗(yàn)證了使用托卡馬克建造聚變堆的科學(xué)可行性。基于半個(gè)世紀(jì)以來(lái)在磁約束領(lǐng)域所取得的進(jìn)展及經(jīng)驗(yàn)，由歐盟、中國(guó)、日本、美國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)及印度簽署了目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目，即國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（簡(jiǎn)稱ITER），其目標(biāo)是驗(yàn)證和平利用聚變能的科學(xué)和技術(shù)可行性。因此，提高聚變堆的經(jīng)濟(jì)性和驗(yàn)證其工程可行性逐步成為聚變研究的重心。

核工業(yè)西南物理研究院建于1965年，是我國(guó)最早從事核聚變研究的專業(yè)院所與研究基地，先后自主設(shè)計(jì)建成了中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL-1，1984年）及中國(guó)環(huán)流器新一號(hào)（HL-1M，1992年）托卡馬克裝置，于2002年在成都建成了我國(guó)第一個(gè)具有偏濾器（國(guó)際熱核聚變堆ITER將采用的）位形的托卡馬克—中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A（HL-2A）裝置，在核聚變關(guān)鍵技術(shù)及等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)核聚變研究由原理探索到大規(guī)模裝置實(shí)驗(yàn)的跨越發(fā)展。特別是近年來(lái)，HL-2A裝置上已發(fā)展了總功率達(dá)5 MW的等離子體輔助加熱系統(tǒng)，獲得的最高等離子體電子溫度達(dá)到了5.5×107℃，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)最高紀(jì)錄。在HL-2A物理實(shí)驗(yàn)中，成功獲得了等離子體的高約束模式（H模，ITER的等離子體運(yùn)行模式），取得了一批富有特色的實(shí)驗(yàn)研究成果。HL-2A裝置成為目前國(guó)際上運(yùn)行在H模式下的少數(shù)幾個(gè)裝置之一。本文將集中介紹近幾年在中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置上取得的重要工程與實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。

1 中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A（托卡馬克）裝置

圖1為中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置的全貌。它是我國(guó)第一個(gè)帶偏濾器的核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。它的主體由一個(gè)汽車(chē)輪胎形的真空室系統(tǒng)和磁場(chǎng)線圈系統(tǒng)組成。磁場(chǎng)線圈分為縱向場(chǎng)和極向場(chǎng)線圈，它們的作用是維持等離子體的約束、平衡與穩(wěn)定，提供等離子體約束和加熱所需要的等離子體電流及形成控制能量和粒子流所需要的偏濾器位型。HL-2A托卡馬克具有16個(gè)大型的縱向場(chǎng)線圈和若干極向場(chǎng)線圈。從中心軸到真空室中心的距離為裝置的大半徑，等離子體柱的半徑（即從等離子體柱的中心到等離子體邊界的距離）為裝置的小半徑。HL-2A裝置的大半徑為1.65 m，小半徑為0.40 m，最大縱向場(chǎng)可以達(dá)到2.8×104Gs，等離子體電流為500 kA。托卡馬克裝置的規(guī)?；旧嫌蛇@四個(gè)參量決定。

環(huán)形真空室是用薄壁特殊不銹鋼制成的，具有200多個(gè)大小不同的窗口，分別用于等離子體加熱，加料和診斷等。由8臺(tái)渦輪分子泵抽到超高真空狀態(tài)，真空室極限真空度達(dá)到1.5×10-6Pa。在真空室的四組極向固定孔欄、活動(dòng)孔欄、上下偏濾器的外側(cè)喉道處的表面覆蓋了石墨瓦，對(duì)偏濾器線圈上、下保護(hù)板鋪設(shè)了碳纖維板，真空室內(nèi)第一壁的石墨材料表面覆蓋率達(dá)到了30%。壁處理技術(shù)是聚變裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一。裝置真空室第一壁的處理是為了獲得優(yōu)異的真空技術(shù)條件，為高品質(zhì)的等離子體放電提供良好的真空環(huán)境。在HL-2A裝置上采用等離子體輔助化學(xué)增強(qiáng)沉積方法，對(duì)第一壁材料進(jìn)行了硅化、鋰化和硼化及其涂層的清除技術(shù)研究。

托卡馬克磁場(chǎng)線圈中的強(qiáng)電流是用三套飛輪脈沖發(fā)電機(jī)組和大功率變流電源系統(tǒng)提供的，這是HL-2A托卡馬克裝置的重要輔助系統(tǒng)，其總?cè)萘窟_(dá)到300 MVA，一次脈沖釋能為1 300 MJ。其中兩套發(fā)電機(jī)組為環(huán)向場(chǎng)供電，另一套發(fā)電機(jī)組為極向場(chǎng)供電。電源中采用了整流器并聯(lián)的電流平衡控制，恒角移相控制和脈沖高壓強(qiáng)流檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。

此外，在HL-2A裝置上還發(fā)展了目前國(guó)內(nèi)聚變等離子體研究裝置中最完整最先進(jìn)的等離子體診斷系統(tǒng)，共有約30種（約50余套，500道信號(hào)）測(cè)量設(shè)備，包括激光診斷系統(tǒng)、微波診斷系統(tǒng)、X射線診斷系統(tǒng)、光學(xué)診斷系統(tǒng)、中性粒子診斷系統(tǒng)、磁測(cè)量系統(tǒng)、靜電探針系統(tǒng)、熱輻射測(cè)量系統(tǒng)等。其中部分診斷系統(tǒng)在技術(shù)和方法上有所突破，包括我們自行設(shè)計(jì)研制的世界最長(zhǎng)的HCN激光器，三維特殊靜電探針系統(tǒng)等。

2 工程與實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

為了開(kāi)展ITER以及未來(lái)聚變堆相關(guān)的工程和物理實(shí)驗(yàn)研究，必須解決聚變關(guān)鍵工程技術(shù)問(wèn)題，如發(fā)展大功率加熱系統(tǒng)、等離子體先進(jìn)控制，以及先進(jìn)等離子體診斷系統(tǒng)等。近幾年來(lái)，在HL-2A裝置上成功研制了3 MW的電子回旋共振（微波）加熱及1 MW的中性粒子束加熱系統(tǒng)，先后開(kāi)展了大功率電子回旋共振加熱、高能中性粒子束注入加熱以及低混雜波電流驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，裝置運(yùn)行參數(shù)得到了不斷提高。在2 MW的輔助加熱條件下，等離子體電子溫度達(dá)到了5.5×107℃；電子回旋共振加熱和中性束注入加熱的共同作用下，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了邊緣局域型高約束模式放電，這標(biāo)志著HL-2A裝置的輔助加熱技術(shù)、等離子體控制，器壁處理及托卡馬克實(shí)驗(yàn)運(yùn)行綜合能力達(dá)到了先進(jìn)水平。下面是近年在中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置上取得的重要工程與實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。

2.1 高功率加熱系統(tǒng)的發(fā)展

核聚變研究的一個(gè)重要任務(wù)就是設(shè)法將等離子體加熱到108℃以上，這是實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火必不可少的基本條件之一。主要的加熱手段包括歐姆加熱、高能中性粒子束加熱，以及大功率射頻波加熱與α粒子加熱等。為了提高等離子體溫度，并能開(kāi)展高參數(shù)等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究，在HL-2A裝置上自主成功研制了國(guó)內(nèi)功率最大的電子回旋共振加熱及中性粒子束注入加熱系統(tǒng)。這些高功率加熱系統(tǒng)的發(fā)展，為這幾年HL-2A取得的重大物理實(shí)驗(yàn)成果奠定了基礎(chǔ)。圖2為利用2 MW的電子回旋共振加熱系統(tǒng)在HL-2A裝置上獲得的我國(guó)托卡馬克等離子體最高電子溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

HL-2A裝置電子回旋共振系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）用6個(gè)回旋管作為微波源，最大功率為3 MW，頻率為68 GHz。系統(tǒng)采用過(guò)模波紋波導(dǎo)傳輸線系統(tǒng)，傳輸效率高于90%，微波模式為能量分布集中的HE11模。在傳輸線中還首次使用了換向器、隔直器和滑動(dòng)波導(dǎo)等器件，這些微波器件具有很高的帶寬，可運(yùn)用于 60～120 GHz的毫米波系統(tǒng)，且對(duì)于其他頻率的毫米波也可采用相似的設(shè)計(jì)，具有很好的通用性。毫米波天線系統(tǒng)采用橢球聚焦和可轉(zhuǎn)動(dòng)平面鏡的結(jié)構(gòu)，能滿足不同區(qū)域的定域加熱和電流驅(qū)動(dòng)的要求。

大功率中性粒子束因具有高加熱效率，是磁約束聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置重要的加熱手段，是提高等離子體溫度，實(shí)現(xiàn)以高約束模式為基礎(chǔ)的先進(jìn)運(yùn)行方式的有效方法之一。高能中性粒子束加熱的基本工作原理是：從氣體放電等離子體中引出強(qiáng)流離子束，然后將離子束加速，加速后的高能離子束進(jìn)入中性化室，與氣靶碰撞捕獲電子，完成中性化，最后將高能大束流的中性粒子束注入到等離子體，在等離子體中中性粒子通過(guò)碰撞電離，從而實(shí)現(xiàn)等離子體加熱和電流驅(qū)動(dòng)。HL-2A裝置的中性粒子束系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）的注入功率為1 MW，中性粒子能量為30～50 keV。在中性粒子束系統(tǒng)研制過(guò)程中，成功獨(dú)立設(shè)計(jì)和研制了大功率桶式離子源，并對(duì)離子源進(jìn)行了調(diào)試和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，與國(guó)外類似的桶式離子源相比，在圓桶周邊增加了一倍的永久磁鐵，使弧放電等離子體均勻性達(dá)到了±5%。調(diào)試及注入實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，離子源性能較穩(wěn)定，負(fù)阻特性不明顯，使得離子源的運(yùn)行參數(shù)范圍大，滿足具體的物理實(shí)驗(yàn)要求。通過(guò)整個(gè)中性粒子束系統(tǒng)的研制，掌握了大功率離子源研發(fā)技術(shù)、注入器的工程設(shè)計(jì)以及所用的特殊高壓電源和控制的研制技術(shù)，使得核工業(yè)西南物理研究院已經(jīng)具備了獨(dú)立研制更大規(guī)模的中性粒子束系統(tǒng)的能力。

2.2 等離子體放電的精確控制

等離子體放電控制能力與水平的高低決定了托卡馬克放電的品質(zhì)，對(duì)能否獲得高性能等離子體起決定作用，如何優(yōu)化等離子體位形，并對(duì)等離子體電流與位置實(shí)現(xiàn)反饋控制，是實(shí)現(xiàn)等離子體放電精確控制的關(guān)鍵。

為了實(shí)現(xiàn)等離子體位置的精確控制，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)前，先用計(jì)算機(jī)程序求解托卡馬克的磁流體平衡方程，得出所需的極向場(chǎng)線圈電流隨等離子體電流變化的規(guī)律，并將結(jié)果輸入控制程序中以實(shí)現(xiàn)程序控制。根據(jù)在真空室中等離子體柱的外面安放的磁探針獲得的磁信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)反演，可以得到等離子體電流、形狀和位置。將結(jié)果輸入控制程序，實(shí)現(xiàn)反饋控制。采用程序控制加反饋控制，在HL-2A上實(shí)現(xiàn)了等離子體電流和位置的精確控制。圖4給出的是連續(xù)23次放電的等離子體電流（a）和置于偏濾器靶板上的探針測(cè)到的電子溫度 (b)波形。由圖4可見(jiàn)，主等離子體和偏濾器的主要參數(shù)可重復(fù)性很好，電流控制精度達(dá)到1%。

此外，雜質(zhì)對(duì)托卡馬克等離子體的影響很大，它能引起大量的能量輻射損失，影響能量平衡過(guò)程，還會(huì)影響等離子體溫度分布及約束性能。因此，必須設(shè)法控制雜質(zhì)水平，將它減少到最低限度。雜質(zhì)的控制主要是通過(guò)真空室內(nèi)表面清潔度的控制及等離子體邊界層的控制共同實(shí)現(xiàn)的，而真空室內(nèi)表面的控制是由放電前的加熱烘烤、第一壁的硅化或硼化鋰化處理以及輝光放電表面清洗等方法來(lái)實(shí)現(xiàn),等離子體邊界層的控制則通過(guò)優(yōu)化磁場(chǎng)位形，使真空室中等離子體與器壁完全脫離來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（未完待續(xù)）