ITER 聚变装置及其电源系统

2022-06-29胡星光宋执权高格李华傅鹏李航

南方能源建设 2022年2期

胡星光，宋执权，高格，李华，傅鹏，李航

（1.深圳大学物理与光电工程学院，广东深圳 518061；2.深圳大学新能源研究中心，广东深圳 518060；3.中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所，安徽合肥 230031）

目前人类通过多种方式获取能源，不仅有对煤、石油、天然气等化石燃料燃烧释放热能的使用，还有对风能、太阳能、水能、地热能等新能源的应用。随着社会生产力不断提高，对能源的消耗越来越大，全球有限的化石能源终有一天会被耗尽，需要开发一种原材料储量丰富、释放能量巨大、安全可靠的能源利用方式，这种理想的能源就是原子核的聚变能[1]。与核裂变相比，核聚变采用氢的同位素作为反应燃料，其聚变产物为氦气，无放射性，核泄漏危害小[2]。两个较轻的原子核，在聚变核反应下，会生成新的质量更重的原子核，并释放出巨大的能量，通过控制与利用核聚变反应，就能产生源源不断的能源[3]。

1 聚变能源与ITER 计划

为了在地球上实现受控热核聚变，其条件之一就是为聚变反应维持一亿度以上的高温等离子体环境，并将参加反应的高温等离子体约束在一定范围内并保证充足的反应时间。采用超导托卡马克(Tokamak)技术，其聚变装置基本工作原理如图1 所示，中央是一个环形的真空室，外围缠绕着超导线圈，利用导通大电流下超导线圈所产生的强磁场，将等离子体约束在小范围内实现核聚变反应，是目前最有可能率先成功的可控聚变方式[4]。

图1 托卡马克聚变装置原理Fig.1 Principle of tokamak fusion device

“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”，最早于1985 年日内瓦峰会上，由美、苏、法三国领导人共同倡议提出，并于1988 年由美、苏、欧、日共同启动其概念设计。中国于2003 年初参加ITER 计划，6 月韩国加入，中、欧、日、韩、俄、美六方于2005 年6月共同签署了《ITER 场址联合宣言》，并将实验堆建设场址确定于法国卡达拉舍（Cadarache），同年底印度加入ITER 计划谈判。2007 年10 月24 日，ITER国际聚变能组织（简称ITER 组织）正式成立[5-6]。

ITER 计划目标是建设世界上最大的托卡马克聚变装置。在超导磁约束聚变反应堆装置中，为氘氚等离子体完成受控聚变反应提供条件，该项目的建设一方面攻克工程技术制造难题，验证该受控聚变方案的工程可行性，另一方面可基于该装置完成一系列测试与研究，为未来建设聚变能电站完善技术基础与科学基础[7]，最终实现和平利用聚变能源。

2 ITER 电源系统

电源系统在ITER 装置中占据着极其重要的地位，它的功能主要有以下三点：

1）为微波、中性粒子等装置提供能量，维持聚变反应所需高温等离子体环境。

2）为各超导线圈导通电流，产生对应强磁场以约束和控制等离子体位形。

3）为聚变装置各辅助系统供电及磁体失超的保护电路。

如图2 所示为ITER 电源系统的组成，其中包括稳态、脉冲高压变电站；磁体电源系统；法国400 kV电网；微波、中性粒子装置等电源系统，即中性束注入NB，离子回旋ICRF，电子回旋ECRF，微波加热LHCD；无功补偿及其滤波系统[8-10]。

图2 ITER 电源系统组成Fig.2 Principle of tokamak fusion device

由于超导材料具有零电阻特性，导通电流下的能量损耗极低，可以作为一种有效的储能装置，且能够流通相较于常规导体高达十几倍以上的电流，并相应地产生十几倍以上的磁场[11]。在ITER 托卡马克聚变装置中，等离子体电流15 MA，温度达到数亿度，故采用了超导磁体作为产生高强磁场的线圈，其对应电源系统需要快速控制等离子体的不同位置与形状，并保证等离子体不接触器壁。

ITER 托卡马克聚变装置，主要由18 个环向场线圈TF、6 个极向场线圈PF 以及包含6 个独立绕包模块的中心螺管线圈CS 组成，此外还包括部分校正线圈CCS 等[12]。ITER 变流器电源的结构示意如图3 所示，具体各线圈的变流器电源参数如表1所示。

图3 ITER 主要线圈的变流器电源结构示意图Fig.3 Schematic diagram of converter power supply structure of ITER main coil

3 ITER 磁体电源国内实施

3.1 我国对ITER 磁体电源系统的优化设计

我国于2005 年开始正式介入ITER 电源工作，原采用的FDR2001 设计方案，其内旁通和故障抑制能力具有较大风险和设计缺陷，主要包括：在超导磁体电源系统中内旁通不能正常运行；不能满足故障抑制能力要求；存在系统过电压和低频振荡[13]。

针对以上设计风险和缺陷，国内科研人员提出了如下电源优化设计方案：

1）用外旁通代替原设计中的内旁通，使超导线圈电流具有稳定续航通路，系统安全性和可靠性大大提高，如图4 所示。

图4 外旁通优化设计Fig.4 Optimization design for external bypass

2）采用晶闸管整流桥反并联代替原来的晶闸管反并联设计方案，大大减少系统最大故障电流(原440 kA 降至320 kA)，提高系统故障抑制能力，如图5所示。

图5 晶闸管整流桥优化设计Fig.5 Optimization design of thyristor rectifier bridge

3）采用多变流器单元串联顺序控制方式来减少系统最大无功，系统无功可以降低30%左右，从原来的1 000 MVar 左右降低到750 MVar 左右。无功容量的降低可以减少甩负荷时系统的过电压和低频振荡，如图6 所示。

图6 串联顺序控制结构Fig.6 Control structure of series sequence

中方于2008 年初，针对ITER 磁体电源系统原设计方案，提出了存在的相关问题，并通过以上外旁通、晶闸管整流桥以及串联顺序控制结构等方面的优化设计与试验验证，极大降低了ITER 装置运行的故障风险，证明了中方提供设计方案的合理性与正确性。ITER 组织与其他六方最终在2009 年12 月IO-DA 会议上同意中方方案，该磁体电源优化设计方案的提出，也为我国争取了大量采购包份额。

3.2 国内承担的磁体电源采购包

中科院合肥研究院等离子体物理研究所，是ITER 建设计划中国工作组的主要依托单位之一，承担了中国采购包的绝大部分研发任务[14]，主要包括高压变电站、变流系统和无功补偿系统，是ITER 磁体电源建设的重要组成部分：

1）变流器电源系统采购包

变流器电源系统能够输出快速变化的电流波形，并根据聚变装置等离子体的位置、形状，进行电流大小实时控制，是ITER 装置实现成功且安全磁约束聚变反应的关键。该系统包括多组交直流变流器，交流侧电压66 kV，直流侧最高电压20 kV，最高电流68 kA，装机容量2.3 GVA。ITER 装置变流器系统是目前世界上最大功率和运行工况最复杂的系统。图7显示了变流器采购包的主要设备组成。

图7 国内变流器采购包组成Fig.7 Composition of domestic converter procurement task

2）无功补偿及谐波抑制系统采购包

由于电力变压器输配电以及为磁体线圈供电的整流器等会产生大量谐波，无功补偿和谐波抑制系统可对等离子体放电过程中磁体电源及辅助加热电源产生的无功和谐波进行有效的补偿和抑制[15]，使电网免受其冲击，稳定电网电压。ITER 装置的动态负载需要750 MVR 的大容量的可靠无功补偿和谐波抑制系统，是目前世界上运行电压最高，装机容量最大的无功补偿和谐波抑制系统。图8 显示了无功补偿及谐波抑制系统组成。

图8 无功补偿及谐波抑制系统配置Fig.8 Configuration of reactive power compensation and harmonic suppression system

3）脉冲高压变电站设备采购包

ITER 装置交流电源供电系统是由一个巨大容量的双回路400 kV 电网组成，系统短路容量为12 GVA，最终将达到27 GVA。脉冲高压变电站设备采购包括400 kV 高压配电站的全部设备，包括400 kV 和66 kV 等级相应的主变压器，高压开关，高压互感器，高压电缆，保护与集成及部分22 kV 开关成套设备，将双回路400 kV 电压通过三组300 MVA变压器变到66 kV 并通过母线供给各类负荷。其中400 kV、66 kV 和22 kV 等级高压开关均采用SF6技术。由于该变电站设备电压等级和我国通用产品不同，需要专门设计和研制，并要符合法国电网标准。高压变电站主要设备与参数如表2 所示。

表2 脉冲高压变电站主要设备与技术参数Tab.2 Main equipment and technical parameters of pulse high voltage substation

为了满足ITER 电源系统国内采购包的测试需要，2011 年等离子体物理研究所将所内双回路110 kV 高压变电站容量从81 MVA 升级为340 MVA，并建立了获得CNAS 认证的交、直流测试平台，可提供如表3 所示实验能力[16]，该测试平台在为ITER 电源相关设备测试之外，还可以满足日益发展的中国电气工业产品测试需求，为国民经济发展做出贡献。