中國環流器二號A裝置工程與實驗進展

段旭如，丁玄同

（核工業西南物理研究院，四川 成都 610041）

能源短缺和環境污染是世界社會和經濟發展面臨的兩大主要問題，因此，世界各國都在大力探索和發展非化石新能源。核聚變能源因具有資源無限、不污染環境、不產生高放射性核廢料等優點，是目前認識到的可以最終解決人類社會能源問題和環境問題、推動人類社會可持續發展的重要途徑之一。所以，開發核聚變能源，對于我國的可持續發展有著重要的戰略和經濟意義。

實現受控核聚變有磁約束和慣性約束兩種途徑。在國際上，磁約束核聚變研究始于20世紀50年代，經歷了從快箍縮、磁鏡、仿星器到托卡馬克不同磁約束方式的幾個探索階段。要實現受控熱核聚變，幾個主要的等離子參數必須達到一定值，即溫度要達到一億度以上；等離子體被約束在一定空間的時間（能量約束時間）要足夠長；這個時間與等離子體密度的乘積須超過1020s/m3。這樣才能在單位時間、單位體積內釋放出足夠的核聚變能以維持核聚變反應堆的運轉并有可觀的能量輸出。因此，受控熱核聚變領域研究的重點是在科學和技術方面如何使等離子體達到這些條件。20世紀80年代以來，國際磁約束受控核聚變實驗研究在托卡馬克裝置上取得了顯著進展，一些大型托卡馬克裝置(如歐共體的JET、美國的TFTR、日本的JT-60U等)相繼建成并成功地投入運行，多項聚變關鍵技術得到了迅速發展，等離子體參數不斷提高。1997年在位于英國的JET裝置上創下了輸出聚變功率16.1 MW、聚變能21.7 MJ的世界最高紀錄。近幾年來，JT-60U獲得了聚變反應堆級的等離子體參數，等效聚變功率增益達到1.25。在托卡馬克裝置上取得的這些進展驗證了使用托卡馬克建造聚變堆的科學可行性。基于半個世紀以來在磁約束領域所取得的進展及經驗，由歐盟、中國、日本、美國、俄羅斯、韓國及印度簽署了目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目，即國際熱核聚變實驗堆（簡稱ITER），其目標是驗證和平利用聚變能的科學和技術可行性。因此，提高聚變堆的經濟性和驗證其工程可行性逐步成為聚變研究的重心。

核工業西南物理研究院建于1965年，是我國最早從事核聚變研究的專業院所與研究基地，先后自主設計建成了中國環流器一號（HL-1，1984年）及中國環流器新一號（HL-1M，1992年）托卡馬克裝置，于2002年在成都建成了我國第一個具有偏濾器（國際熱核聚變堆ITER將采用的）位形的托卡馬克—中國環流器二號A（HL-2A）裝置，在核聚變關鍵技術及等離子體物理實驗研究領域取得了重大進展，實現了我國核聚變研究由原理探索到大規模裝置實驗的跨越發展。特別是近年來，HL-2A裝置上已發展了總功率達5 MW的等離子體輔助加熱系統，獲得的最高等離子體電子溫度達到了5.5×107℃，創造了國內最高紀錄。在HL-2A物理實驗中，成功獲得了等離子體的高約束模式（H模，ITER的等離子體運行模式），取得了一批富有特色的實驗研究成果。HL-2A裝置成為目前國際上運行在H模式下的少數幾個裝置之一。本文將集中介紹近幾年在中國環流器二號A裝置上取得的重要工程與實驗進展。

1 中國環流器二號A（托卡馬克）裝置

圖1為中國環流器二號A裝置的全貌。它是我國第一個帶偏濾器的核聚變實驗研究裝置。它的主體由一個汽車輪胎形的真空室系統和磁場線圈系統組成。磁場線圈分為縱向場和極向場線圈，它們的作用是維持等離子體的約束、平衡與穩定，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個大型的縱向場線圈和若干極向場線圈。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，最大縱向場可以達到2.8×104Gs，等離子體電流為500 kA。托卡馬克裝置的規模基本上由這四個參量決定。

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

托卡馬克磁場線圈中的強電流是用三套飛輪脈沖發電機組和大功率變流電源系統提供的，這是HL-2A托卡馬克裝置的重要輔助系統，其總容量達到300 MVA，一次脈沖釋能為1 300 MJ。其中兩套發電機組為環向場供電，另一套發電機組為極向場供電。電源中采用了整流器并聯的電流平衡控制，恒角移相控制和脈沖高壓強流檢測等關鍵技術。

此外，在HL-2A裝置上還發展了目前國內聚變等離子體研究裝置中最完整最先進的等離子體診斷系統，共有約30種（約50余套，500道信號）測量設備，包括激光診斷系統、微波診斷系統、X射線診斷系統、光學診斷系統、中性粒子診斷系統、磁測量系統、靜電探針系統、熱輻射測量系統等。其中部分診斷系統在技術和方法上有所突破，包括我們自行設計研制的世界最長的HCN激光器，三維特殊靜電探針系統等。

2 工程與實驗進展

為了開展ITER以及未來聚變堆相關的工程和物理實驗研究，必須解決聚變關鍵工程技術問題，如發展大功率加熱系統、等離子體先進控制，以及先進等離子體診斷系統等。近幾年來，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，先后開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動實驗，裝置運行參數得到了不斷提高。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，在國內首次實現了邊緣局域型高約束模式放電，這標志著HL-2A裝置的輔助加熱技術、等離子體控制，器壁處理及托卡馬克實驗運行綜合能力達到了先進水平。下面是近年在中國環流器二號A裝置上取得的重要工程與實驗進展。

2.1 高功率加熱系統的發展

核聚變研究的一個重要任務就是設法將等離子體加熱到108℃以上，這是實現聚變點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，并能開展高參數等離子體物理實驗研究，在HL-2A裝置上自主成功研制了國內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。這些高功率加熱系統的發展，為這幾年HL-2A取得的重大物理實驗成果奠定了基礎。圖2為利用2 MW的電子回旋共振加熱系統在HL-2A裝置上獲得的我國托卡馬克等離子體最高電子溫度的實驗結果。

HL-2A裝置電子回旋共振系統（見圖2）用6個回旋管作為微波源，最大功率為3 MW，頻率為68 GHz。系統采用過模波紋波導傳輸線系統，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、隔直器和滑動波導等器件，這些微波器件具有很高的帶寬，可運用于 60～120 GHz的毫米波系統，且對于其他頻率的毫米波也可采用相似的設計，具有很好的通用性。毫米波天線系統采用橢球聚焦和可轉動平面鏡的結構，能滿足不同區域的定域加熱和電流驅動的要求。

大功率中性粒子束因具有高加熱效率，是磁約束聚變實驗研究裝置重要的加熱手段，是提高等離子體溫度，實現以高約束模式為基礎的先進運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流離子束，然后將離子束加速，加速后的高能離子束進入中性化室，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碰撞電離，從而實現等離子體加熱和電流驅動。HL-2A裝置的中性粒子束系統（見圖3）的注入功率為1 MW，中性粒子能量為30～50 keV。在中性粒子束系統研制過程中，成功獨立設計和研制了大功率桶式離子源，并對離子源進行了調試和結構優化，與國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到了±5%。調試及注入實驗結果表明，離子源性能較穩定，負阻特性不明顯，使得離子源的運行參數范圍大，滿足具體的物理實驗要求。通過整個中性粒子束系統的研制，掌握了大功率離子源研發技術、注入器的工程設計以及所用的特殊高壓電源和控制的研制技術，使得核工業西南物理研究院已經具備了獨立研制更大規模的中性粒子束系統的能力。

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，對能否獲得高性能等離子體起決定作用，如何優化等離子體位形，并對等離子體電流與位置實現反饋控制，是實現等離子體放電精確控制的關鍵。

為了實現等離子體位置的精確控制，在開展實驗前，先用計算機程序求解托卡馬克的磁流體平衡方程，得出所需的極向場線圈電流隨等離子體電流變化的規律，并將結果輸入控制程序中以實現程序控制。根據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，通過計算機反演，可以得到等離子體電流、形狀和位置。將結果輸入控制程序，實現反饋控制。采用程序控制加反饋控制，在HL-2A上實現了等離子體電流和位置的精確控制。圖4給出的是連續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到的電子溫度 (b)波形。由圖4可見，主等離子體和偏濾器的主要參數可重復性很好，電流控制精度達到1%。

此外，雜質對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，影響能量平衡過程，還會影響等離子體溫度分布及約束性能。因此，必須設法控制雜質水平，將它減少到最低限度。雜質的控制主要是通過真空室內表面清潔度的控制及等離子體邊界層的控制共同實現的，而真空室內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實現,等離子體邊界層的控制則通過優化磁場位形，使真空室中等離子體與器壁完全脫離來實現。

（未完待續）