ITER 聚變裝置及其電源系統(tǒng)

胡星光，宋執(zhí)權(quán)，高格，李華，傅鵬，李航

（1.深圳大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 深圳 518061；2.深圳大學(xué) 新能源研究中心，廣東 深圳 518060；3.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

目前人類通過多種方式獲取能源，不僅有對煤、石油、天然氣等化石燃料燃燒釋放熱能的使用，還有對風(fēng)能、太陽能、水能、地?zé)崮艿刃履茉吹膽?yīng)用。隨著社會生產(chǎn)力不斷提高，對能源的消耗越來越大，全球有限的化石能源終有一天會被耗盡，需要開發(fā)一種原材料儲量豐富、釋放能量巨大、安全可靠的能源利用方式，這種理想的能源就是原子核的聚變能[1]。與核裂變相比，核聚變采用氫的同位素作為反應(yīng)燃料，其聚變產(chǎn)物為氦氣，無放射性，核泄漏危害小[2]。兩個(gè)較輕的原子核，在聚變核反應(yīng)下，會生成新的質(zhì)量更重的原子核，并釋放出巨大的能量，通過控制與利用核聚變反應(yīng)，就能產(chǎn)生源源不斷的能源[3]。

1 聚變能源與ITER 計(jì)劃

為了在地球上實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩?，其條件之一就是為聚變反應(yīng)維持一億度以上的高溫等離子體環(huán)境，并將參加反應(yīng)的高溫等離子體約束在一定范圍內(nèi)并保證充足的反應(yīng)時(shí)間。采用超導(dǎo)托卡馬克(Tokamak)技術(shù)，其聚變裝置基本工作原理如圖1 所示，中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外圍纏繞著超導(dǎo)線圈，利用導(dǎo)通大電流下超導(dǎo)線圈所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場，將等離子體約束在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，是目前最有可能率先成功的可控聚變方式[4]。

圖1 托卡馬克聚變裝置原理Fig.1 Principle of tokamak fusion device

“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”，最早于1985 年日內(nèi)瓦峰會上，由美、蘇、法三國領(lǐng)導(dǎo)人共同倡議提出，并于1988 年由美、蘇、歐、日共同啟動其概念設(shè)計(jì)。中國于2003 年初參加ITER 計(jì)劃，6 月韓國加入，中、歐、日、韓、俄、美六方于2005 年6月共同簽署了《ITER 場址聯(lián)合宣言》，并將實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)場址確定于法國卡達(dá)拉舍（Cadarache），同年底印度加入ITER 計(jì)劃談判。2007 年10 月24 日，ITER國際聚變能組織（簡稱ITER 組織）正式成立[5-6]。

ITER 計(jì)劃目標(biāo)是建設(shè)世界上最大的托卡馬克聚變裝置。在超導(dǎo)磁約束聚變反應(yīng)堆裝置中，為氘氚等離子體完成受控聚變反應(yīng)提供條件，該項(xiàng)目的建設(shè)一方面攻克工程技術(shù)制造難題，驗(yàn)證該受控聚變方案的工程可行性，另一方面可基于該裝置完成一系列測試與研究，為未來建設(shè)聚變能電站完善技術(shù)基礎(chǔ)與科學(xué)基礎(chǔ)[7]，最終實(shí)現(xiàn)和平利用聚變能源。

2 ITER 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)在ITER 裝置中占據(jù)著極其重要的地位，它的功能主要有以下三點(diǎn)：

1）為微波、中性粒子等裝置提供能量，維持聚變反應(yīng)所需高溫等離子體環(huán)境。

2）為各超導(dǎo)線圈導(dǎo)通電流，產(chǎn)生對應(yīng)強(qiáng)磁場以約束和控制等離子體位形。

3）為聚變裝置各輔助系統(tǒng)供電及磁體失超的保護(hù)電路。

如圖2 所示為ITER 電源系統(tǒng)的組成，其中包括穩(wěn)態(tài)、脈沖高壓變電站；磁體電源系統(tǒng)；法國400 kV電網(wǎng)；微波、中性粒子裝置等電源系統(tǒng)，即中性束注入NB，離子回旋ICRF，電子回旋ECRF，微波加熱LHCD；無功補(bǔ)償及其濾波系統(tǒng)[8-10]。

圖2 ITER 電源系統(tǒng)組成Fig.2 Principle of tokamak fusion device

由于超導(dǎo)材料具有零電阻特性，導(dǎo)通電流下的能量損耗極低，可以作為一種有效的儲能裝置，且能夠流通相較于常規(guī)導(dǎo)體高達(dá)十幾倍以上的電流，并相應(yīng)地產(chǎn)生十幾倍以上的磁場[11]。在ITER 托卡馬克聚變裝置中，等離子體電流15 MA，溫度達(dá)到數(shù)億度，故采用了超導(dǎo)磁體作為產(chǎn)生高強(qiáng)磁場的線圈，其對應(yīng)電源系統(tǒng)需要快速控制等離子體的不同位置與形狀，并保證等離子體不接觸器壁。

ITER 托卡馬克聚變裝置，主要由18 個(gè)環(huán)向場線圈TF、6 個(gè)極向場線圈PF 以及包含6 個(gè)獨(dú)立繞包模塊的中心螺管線圈CS 組成，此外還包括部分校正線圈CCS 等[12]。ITER 變流器電源的結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示，具體各線圈的變流器電源參數(shù)如表1所示。

圖3 ITER 主要線圈的變流器電源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of converter power supply structure of ITER main coil

3 ITER 磁體電源國內(nèi)實(shí)施

3.1 我國對ITER 磁體電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

我國于2005 年開始正式介入ITER 電源工作，原采用的FDR2001 設(shè)計(jì)方案，其內(nèi)旁通和故障抑制能力具有較大風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)缺陷，主要包括：在超導(dǎo)磁體電源系統(tǒng)中內(nèi)旁通不能正常運(yùn)行；不能滿足故障抑制能力要求；存在系統(tǒng)過電壓和低頻振蕩[13]。

針對以上設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和缺陷，國內(nèi)科研人員提出了如下電源優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：

1）用外旁通代替原設(shè)計(jì)中的內(nèi)旁通，使超導(dǎo)線圈電流具有穩(wěn)定續(xù)航通路，系統(tǒng)安全性和可靠性大大提高，如圖4 所示。

圖4 外旁通優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.4 Optimization design for external bypass

2）采用晶閘管整流橋反并聯(lián)代替原來的晶閘管反并聯(lián)設(shè)計(jì)方案，大大減少系統(tǒng)最大故障電流(原440 kA 降至320 kA)，提高系統(tǒng)故障抑制能力，如圖5所示。

圖5 晶閘管整流橋優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.5 Optimization design of thyristor rectifier bridge

3）采用多變流器單元串聯(lián)順序控制方式來減少系統(tǒng)最大無功，系統(tǒng)無功可以降低30%左右，從原來的1 000 MVar 左右降低到750 MVar 左右。無功容量的降低可以減少甩負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)的過電壓和低頻振蕩，如圖6 所示。

圖6 串聯(lián)順序控制結(jié)構(gòu)Fig.6 Control structure of series sequence

中方于2008 年初，針對ITER 磁體電源系統(tǒng)原設(shè)計(jì)方案，提出了存在的相關(guān)問題，并通過以上外旁通、晶閘管整流橋以及串聯(lián)順序控制結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證，極大降低了ITER 裝置運(yùn)行的故障風(fēng)險(xiǎn)，證明了中方提供設(shè)計(jì)方案的合理性與正確性。ITER 組織與其他六方最終在2009 年12 月IO-DA 會議上同意中方方案，該磁體電源優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的提出，也為我國爭取了大量采購包份額。

3.2 國內(nèi)承擔(dān)的磁體電源采購包

中科院合肥研究院等離子體物理研究所，是ITER 建設(shè)計(jì)劃中國工作組的主要依托單位之一，承擔(dān)了中國采購包的絕大部分研發(fā)任務(wù)[14]，主要包括高壓變電站、變流系統(tǒng)和無功補(bǔ)償系統(tǒng)，是ITER 磁體電源建設(shè)的重要組成部分：

1）變流器電源系統(tǒng)采購包

變流器電源系統(tǒng)能夠輸出快速變化的電流波形，并根據(jù)聚變裝置等離子體的位置、形狀，進(jìn)行電流大小實(shí)時(shí)控制，是ITER 裝置實(shí)現(xiàn)成功且安全磁約束聚變反應(yīng)的關(guān)鍵。該系統(tǒng)包括多組交直流變流器，交流側(cè)電壓66 kV，直流側(cè)最高電壓20 kV，最高電流68 kA，裝機(jī)容量2.3 GVA。ITER 裝置變流器系統(tǒng)是目前世界上最大功率和運(yùn)行工況最復(fù)雜的系統(tǒng)。圖7顯示了變流器采購包的主要設(shè)備組成。

圖7 國內(nèi)變流器采購包組成Fig.7 Composition of domestic converter procurement task

2）無功補(bǔ)償及諧波抑制系統(tǒng)采購包

由于電力變壓器輸配電以及為磁體線圈供電的整流器等會產(chǎn)生大量諧波，無功補(bǔ)償和諧波抑制系統(tǒng)可對等離子體放電過程中磁體電源及輔助加熱電源產(chǎn)生的無功和諧波進(jìn)行有效的補(bǔ)償和抑制[15]，使電網(wǎng)免受其沖擊，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。ITER 裝置的動態(tài)負(fù)載需要750 MVR 的大容量的可靠無功補(bǔ)償和諧波抑制系統(tǒng)，是目前世界上運(yùn)行電壓最高，裝機(jī)容量最大的無功補(bǔ)償和諧波抑制系統(tǒng)。圖8 顯示了無功補(bǔ)償及諧波抑制系統(tǒng)組成。

圖8 無功補(bǔ)償及諧波抑制系統(tǒng)配置Fig.8 Configuration of reactive power compensation and harmonic suppression system

3）脈沖高壓變電站設(shè)備采購包

ITER 裝置交流電源供電系統(tǒng)是由一個(gè)巨大容量的雙回路400 kV 電網(wǎng)組成，系統(tǒng)短路容量為12 GVA，最終將達(dá)到27 GVA。脈沖高壓變電站設(shè)備采購包括400 kV 高壓配電站的全部設(shè)備，包括400 kV 和66 kV 等級相應(yīng)的主變壓器，高壓開關(guān)，高壓互感器，高壓電纜，保護(hù)與集成及部分22 kV 開關(guān)成套設(shè)備，將雙回路400 kV 電壓通過三組300 MVA變壓器變到66 kV 并通過母線供給各類負(fù)荷。其中400 kV、66 kV 和22 kV 等級高壓開關(guān)均采用SF6技術(shù)。由于該變電站設(shè)備電壓等級和我國通用產(chǎn)品不同，需要專門設(shè)計(jì)和研制，并要符合法國電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。高壓變電站主要設(shè)備與參數(shù)如表2 所示。

表2 脈沖高壓變電站主要設(shè)備與技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main equipment and technical parameters of pulse high voltage substation

為了滿足ITER 電源系統(tǒng)國內(nèi)采購包的測試需要，2011 年等離子體物理研究所將所內(nèi)雙回路110 kV 高壓變電站容量從81 MVA 升級為340 MVA，并建立了獲得CNAS 認(rèn)證的交、直流測試平臺，可提供如表3 所示實(shí)驗(yàn)?zāi)芰16]，該測試平臺在為ITER 電源相關(guān)設(shè)備測試之外，還可以滿足日益發(fā)展的中國電氣工業(yè)產(chǎn)品測試需求，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

表3 交、直流測試平臺實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ab.3 Experimental capability of AC and DC test platform

4 結(jié)論

本文簡要介紹了ITER 計(jì)劃的歷史及其主要發(fā)展歷程，針對超導(dǎo)磁體電源系統(tǒng)，說明了其在ITER聚變裝置中的重要作用以及組成部分。文中還敘述了我國對磁體電源系統(tǒng)中，包括外旁通、整流橋與變流器控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，重點(diǎn)對國內(nèi)承擔(dān)的磁體電源采購包在ITER 裝置中的作用與主要參數(shù)進(jìn)行了介紹。

依托掌握的聚變工程核心技術(shù)，參與國際ITER計(jì)劃科研項(xiàng)目，既能夠?qū)崿F(xiàn)我國聚變技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，鍛煉和培養(yǎng)出一批極具國際競爭力、掌握ITER 相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)的工程技術(shù)人才和國際項(xiàng)目管理專業(yè)人才，提升了我國在國際聚變領(lǐng)域的競爭力和影響力。