中国环流器二号A装置工程与实验进展

段旭如，丁玄同

（核工业西南物理研究院，四川 成都 610041）

能源短缺和环境污染是世界社会和经济发展面临的两大主要问题，因此，世界各国都在大力探索和发展非化石新能源。核聚变能源因具有资源无限、不污染环境、不产生高放射性核废料等优点，是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。所以，开发核聚变能源，对于我国的可持续发展有着重要的战略和经济意义。

实现受控核聚变有磁约束和惯性约束两种途径。在国际上，磁约束核聚变研究始于20世纪50年代，经历了从快箍缩、磁镜、仿星器到托卡马克不同磁约束方式的几个探索阶段。要实现受控热核聚变，几个主要的等离子参数必须达到一定值，即温度要达到一亿度以上；等离子体被约束在一定空间的时间（能量约束时间）要足够长；这个时间与等离子体密度的乘积须超过1020s/m3。这样才能在单位时间、单位体积内释放出足够的核聚变能以维持核聚变反应堆的运转并有可观的能量输出。因此，受控热核聚变领域研究的重点是在科学和技术方面如何使等离子体达到这些条件。20世纪80年代以来，国际磁约束受控核聚变实验研究在托卡马克装置上取得了显著进展，一些大型托卡马克装置(如欧共体的JET、美国的TFTR、日本的JT-60U等)相继建成并成功地投入运行，多项聚变关键技术得到了迅速发展，等离子体参数不断提高。1997年在位于英国的JET装置上创下了输出聚变功率16.1 MW、聚变能21.7 MJ的世界最高纪录。近几年来，JT-60U获得了聚变反应堆级的等离子体参数，等效聚变功率增益达到1.25。在托卡马克装置上取得的这些进展验证了使用托卡马克建造聚变堆的科学可行性。基于半个世纪以来在磁约束领域所取得的进展及经验，由欧盟、中国、日本、美国、俄罗斯、韩国及印度签署了目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目，即国际热核聚变实验堆（简称ITER），其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。因此，提高聚变堆的经济性和验证其工程可行性逐步成为聚变研究的重心。

核工业西南物理研究院建于1965年，是我国最早从事核聚变研究的专业院所与研究基地，先后自主设计建成了中国环流器一号（HL-1，1984年）及中国环流器新一号（HL-1M，1992年）托卡马克装置，于2002年在成都建成了我国第一个具有偏滤器（国际热核聚变堆ITER将采用的）位形的托卡马克—中国环流器二号A（HL-2A）装置，在核聚变关键技术及等离子体物理实验研究领域取得了重大进展，实现了我国核聚变研究由原理探索到大规模装置实验的跨越发展。特别是近年来，HL-2A装置上已发展了总功率达5 MW的等离子体辅助加热系统，获得的最高等离子体电子温度达到了5.5×107℃，创造了国内最高纪录。在HL-2A物理实验中，成功获得了等离子体的高约束模式（H模，ITER的等离子体运行模式），取得了一批富有特色的实验研究成果。HL-2A装置成为目前国际上运行在H模式下的少数几个装置之一。本文将集中介绍近几年在中国环流器二号A装置上取得的重要工程与实验进展。

1 中国环流器二号A（托卡马克）装置

图1为中国环流器二号A装置的全貌。它是我国第一个带偏滤器的核聚变实验研究装置。它的主体由一个汽车轮胎形的真空室系统和磁场线圈系统组成。磁场线圈分为纵向场和极向场线圈，它们的作用是维持等离子体的约束、平衡与稳定，提供等离子体约束和加热所需要的等离子体电流及形成控制能量和粒子流所需要的偏滤器位型。HL-2A托卡马克具有16个大型的纵向场线圈和若干极向场线圈。从中心轴到真空室中心的距离为装置的大半径，等离子体柱的半径（即从等离子体柱的中心到等离子体边界的距离）为装置的小半径。HL-2A装置的大半径为1.65 m，小半径为0.40 m，最大纵向场可以达到2.8×104Gs，等离子体电流为500 kA。托卡马克装置的规模基本上由这四个参量决定。

环形真空室是用薄壁特殊不锈钢制成的，具有200多个大小不同的窗口，分别用于等离子体加热，加料和诊断等。由8台涡轮分子泵抽到超高真空状态，真空室极限真空度达到1.5×10-6Pa。在真空室的四组极向固定孔栏、活动孔栏、上下偏滤器的外侧喉道处的表面覆盖了石墨瓦，对偏滤器线圈上、下保护板铺设了碳纤维板，真空室内第一壁的石墨材料表面覆盖率达到了30%。壁处理技术是聚变装置正常运行的关键之一。装置真空室第一壁的处理是为了获得优异的真空技术条件，为高品质的等离子体放电提供良好的真空环境。在HL-2A装置上采用等离子体辅助化学增强沉积方法，对第一壁材料进行了硅化、锂化和硼化及其涂层的清除技术研究。

托卡马克磁场线圈中的强电流是用三套飞轮脉冲发电机组和大功率变流电源系统提供的，这是HL-2A托卡马克装置的重要辅助系统，其总容量达到300 MVA，一次脉冲释能为1 300 MJ。其中两套发电机组为环向场供电，另一套发电机组为极向场供电。电源中采用了整流器并联的电流平衡控制，恒角移相控制和脉冲高压强流检测等关键技术。

此外，在HL-2A装置上还发展了目前国内聚变等离子体研究装置中最完整最先进的等离子体诊断系统，共有约30种（约50余套，500道信号）测量设备，包括激光诊断系统、微波诊断系统、X射线诊断系统、光学诊断系统、中性粒子诊断系统、磁测量系统、静电探针系统、热辐射测量系统等。其中部分诊断系统在技术和方法上有所突破，包括我们自行设计研制的世界最长的HCN激光器，三维特殊静电探针系统等。

2 工程与实验进展

为了开展ITER以及未来聚变堆相关的工程和物理实验研究，必须解决聚变关键工程技术问题，如发展大功率加热系统、等离子体先进控制，以及先进等离子体诊断系统等。近几年来，在HL-2A装置上成功研制了3 MW的电子回旋共振（微波）加热及1 MW的中性粒子束加热系统，先后开展了大功率电子回旋共振加热、高能中性粒子束注入加热以及低混杂波电流驱动实验，装置运行参数得到了不断提高。在2 MW的辅助加热条件下，等离子体电子温度达到了5.5×107℃；电子回旋共振加热和中性束注入加热的共同作用下，在国内首次实现了边缘局域型高约束模式放电，这标志着HL-2A装置的辅助加热技术、等离子体控制，器壁处理及托卡马克实验运行综合能力达到了先进水平。下面是近年在中国环流器二号A装置上取得的重要工程与实验进展。

2.1 高功率加热系统的发展

核聚变研究的一个重要任务就是设法将等离子体加热到108℃以上，这是实现聚变点火必不可少的基本条件之一。主要的加热手段包括欧姆加热、高能中性粒子束加热，以及大功率射频波加热与α粒子加热等。为了提高等离子体温度，并能开展高参数等离子体物理实验研究，在HL-2A装置上自主成功研制了国内功率最大的电子回旋共振加热及中性粒子束注入加热系统。这些高功率加热系统的发展，为这几年HL-2A取得的重大物理实验成果奠定了基础。图2为利用2 MW的电子回旋共振加热系统在HL-2A装置上获得的我国托卡马克等离子体最高电子温度的实验结果。

HL-2A装置电子回旋共振系统（见图2）用6个回旋管作为微波源，最大功率为3 MW，频率为68 GHz。系统采用过模波纹波导传输线系统，传输效率高于90%，微波模式为能量分布集中的HE11模。在传输线中还首次使用了换向器、隔直器和滑动波导等器件，这些微波器件具有很高的带宽，可运用于 60～120 GHz的毫米波系统，且对于其他频率的毫米波也可采用相似的设计，具有很好的通用性。毫米波天线系统采用椭球聚焦和可转动平面镜的结构，能满足不同区域的定域加热和电流驱动的要求。

大功率中性粒子束因具有高加热效率，是磁约束聚变实验研究装置重要的加热手段，是提高等离子体温度，实现以高约束模式为基础的先进运行方式的有效方法之一。高能中性粒子束加热的基本工作原理是：从气体放电等离子体中引出强流离子束，然后将离子束加速，加速后的高能离子束进入中性化室，与气靶碰撞捕获电子，完成中性化，最后将高能大束流的中性粒子束注入到等离子体，在等离子体中中性粒子通过碰撞电离，从而实现等离子体加热和电流驱动。HL-2A装置的中性粒子束系统（见图3）的注入功率为1 MW，中性粒子能量为30～50 keV。在中性粒子束系统研制过程中，成功独立设计和研制了大功率桶式离子源，并对离子源进行了调试和结构优化，与国外类似的桶式离子源相比，在圆桶周边增加了一倍的永久磁铁，使弧放电等离子体均匀性达到了±5%。调试及注入实验结果表明，离子源性能较稳定，负阻特性不明显，使得离子源的运行参数范围大，满足具体的物理实验要求。通过整个中性粒子束系统的研制，掌握了大功率离子源研发技术、注入器的工程设计以及所用的特殊高压电源和控制的研制技术，使得核工业西南物理研究院已经具备了独立研制更大规模的中性粒子束系统的能力。

2.2 等离子体放电的精确控制

等离子体放电控制能力与水平的高低决定了托卡马克放电的品质，对能否获得高性能等离子体起决定作用，如何优化等离子体位形，并对等离子体电流与位置实现反馈控制，是实现等离子体放电精确控制的关键。

为了实现等离子体位置的精确控制，在开展实验前，先用计算机程序求解托卡马克的磁流体平衡方程，得出所需的极向场线圈电流随等离子体电流变化的规律，并将结果输入控制程序中以实现程序控制。根据在真空室中等离子体柱的外面安放的磁探针获得的磁信号，通过计算机反演，可以得到等离子体电流、形状和位置。将结果输入控制程序，实现反馈控制。采用程序控制加反馈控制，在HL-2A上实现了等离子体电流和位置的精确控制。图4给出的是连续23次放电的等离子体电流（a）和置于偏滤器靶板上的探针测到的电子温度 (b)波形。由图4可见，主等离子体和偏滤器的主要参数可重复性很好，电流控制精度达到1%。

此外，杂质对托卡马克等离子体的影响很大，它能引起大量的能量辐射损失，影响能量平衡过程，还会影响等离子体温度分布及约束性能。因此，必须设法控制杂质水平，将它减少到最低限度。杂质的控制主要是通过真空室内表面清洁度的控制及等离子体边界层的控制共同实现的，而真空室内表面的控制是由放电前的加热烘烤、第一壁的硅化或硼化锂化处理以及辉光放电表面清洗等方法来实现,等离子体边界层的控制则通过优化磁场位形，使真空室中等离子体与器壁完全脱离来实现。

（未完待续）