超导托卡马克 _生活百科

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超导托卡马克【超导托卡马克】中国科学院电浆物理研究所是我国核聚变研究的重要基地，主要从事高温电浆物理、受控热核聚变技术的研究以及相关高技术的开发研究工作。担负着国家核聚变大科学工程的建设和研究任务。八十年代建成HT-6B、HT-6M、MPTX、磁镜等一批有影响的聚变研究实验装置。
基本介绍中文名：超导托卡马克
来源：中国科学院电浆物理研究所
从事：高温电浆物理等研究
特点：极向场的稳态供电及控制等
退役时间：2013年5月7日
HT-7超导托卡马克简介中国科学院电浆物理研究所是我国核聚变研究的重要基地，主要从事高温电浆物理、受控热核聚变技术的研究以及相关高技术的开发研究工作。担负着国家核聚变大科学工程的建设和研究任务。八十年代建成HT-6B、HT-6M、MPTX、磁镜等一批有影响的聚变研究实验装置。进入九十年代，又成功地建成我国第一个超导托卡马克HT-7实验装置，使我国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家，为我国的核聚变研究进入世界核聚变前沿打下了坚实的基础。电浆所承担了国家八六三高技术发展计画、国家计委重大科技攻关项目，国防科工委预研项目、国家基金委和科学院重大、重点等多项研究任务，是世界实验室在我国设立的核聚变研究中心，是第三世界科学院优秀研究中心。九十年代初，电浆所利用前苏联赠送的原价值约1500万美元的T-7装置进行大幅度改造，使其成为研究性能不仅更加先进，而且更加完善的我国第一个超导托卡马克---HT-7 。其主要研究目标是，获得并研究长脉冲或準稳态高温电浆，并检验和发展与其相关的工程技术，为未来稳态先进托卡马克聚变堆提供工程技术和物理基础。经过三年半的努力，已全部按新设计要求完成任务。94年12月至95年3月成功地进行了HT-7首次工程联调， 94年12月28日得到首次电浆。迄今，已成功地进行了十几轮实验运行，取得了多项工程和物理上的重要成果。HT-7的建设和投入运行将使我国的核聚变研究跨上一个新台阶，跻身于世界核聚变研究的前沿。为我国和世界核聚变研究事业作出重要的直接贡献。同时也使我国成为继俄、法、日之后拥有超导托卡马克的几个少数国家之一。并使我国的聚变电浆物理研究进入世界前列。1998年国务院科教领导小组批准了国家“九五”重大科学工程HT-7U的立项， HT-7也部分承担下一代装置HT-7U的前期实验任务。2013年5月7日，中国科学院电浆物理研究所宣布HT-7超导托卡马克装置正式退役。于2007年3月建成的世界首个全超导托卡马克装置“EAST东方超环”将替代HT-7 ，承担起下一阶段的科研任务。HT-7实验系统HT-7是一个宠大的实验系统，它包括HT-7超导托卡马克装置本体，大型超高真空系统，大型计算机控制和数据採集处理系统，大型高功率脉冲电源及其迴路系统，全国规模最大的低温液氦系统，兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统，以及数十种複杂的诊断测量系统。几年来， HT-7超导托卡马克装置经过不断的改造，成功地进行了十几轮实验运行，取得若干具有国际影响的重大科研成果。为了实现HT-7超导托卡马克装置的高功率、稳态运行， 2001年，科技人员对HT-7的实验系统进行了数项重大改进，在工程上向着高参数稳态运行迈出了一大步：1）极向场的稳态供电及控制；2）利用钒钢实现稳态条件下纵场波纹度的大幅度改善；3）1MW稳态低杂波电流驱动系统；4）高性能水冷石墨限制器及粒子排除系统；5）新型射频天馈系统；6）海量数据实时与连续採集系统；7）数项先进电浆诊断系统。在物理上， HT-7紧紧围绕稳态高约束电浆运行这一当今世界磁约束聚变最具挑战性的前沿课题展开全面深入地研究。为达到这个目的所开展的实验如下：1）低杂波电流驱动及改善约束；2）离子伯恩斯坦波加热及改善约束；3）边界湍流及输运研究；4）电浆参数精细分布控制；5）先进壁处理；6）稳态运行及控制。随着物理实验的不断深入， 2001年冬季实验又获重大进展，创造了许多令世人瞩目的研究成果1）实现了在低杂波驱动下电子温度超过五百万度、中心密度大于1.0×1019m-3、长达20秒可重複的高温电浆放电；2）实现大于10秒、电子温度超过一千万度、中心密度大于1.0×1019m-3的高参数电浆放电，这是世界上第二个放电长度达到1000倍能量约束时间高参数準稳态电浆；3）在离子伯恩斯波和低杂波协同作用下，实现放电脉冲长度大于100倍能量约束时间、电子温度二千万度的高约束稳态运行；4）最高电子温度超过三千万度。迄今， HT-7超导托卡马克达到的主要物理和技术指标1）电浆参数：放电时间20秒，电子温度 >3000万度，电子密度6.5X1019m-3 ，电浆电流240仟安；2）装置运行参数：磁场强度2.2特斯拉，本底真空4×10-6Pa,储能≤10仟焦；3）低杂波系统指标：最大注入功率700仟瓦，环电压降至0 ，并向变压器反充电；4）离子迴旋波加热和IBW指标：最大注入功率330仟瓦,电浆电子温度和离子温度明显升高；5）电浆和壁相互作用：RF清洗及RF硼化和硅化效果明显，有效Zeff接近1；6）诊断技术及所达指标：总诊断35种， 400多路诊断信号；7）加料技术：弹丸注入和IBW协同实验，发现芯部约束改善；Laval喷嘴实验已取得初步结果；8）电浆控制：多变数控制，电浆电流、位移反馈，实现电浆参数灵活调节，较高放电重複率。以上指标充分说明， HT-7超导托卡马克装置已步入世界上为数不多的可进行高参数稳态条件下电浆物理研究的先进装置行列。HT-7在未来几年里，预计达到的目标1）向更高参数冲击，在2-3年内奠定HT-7在国际受控界不可取代的地位；2）全面开展国家九五大科学工程“HT-7U”托卡马克的先行实验。力争进入世界托卡马克五大装置，完成在稳态先进运行领域不可取代（前两名）地位。拟进行的物理研究内容如下：通过实验计画的科学实施可在以下方面达到国际领先水平，做出突破性贡献。建立有创新性和适合国家能源体系的 “稳态、先进模式”的科学基础1）稳态模式的研究：在HT-7超导托卡马克上实现30秒级的电浆，存在时间约为能量约束时间的2000倍，电浆各项参数均达到稳态。研究电浆电流密度和参数分布的驰豫过程。2）高约束模式的研究：在100倍于能量约束时间的尺度，利用低杂波，射频波及两波的协同和其它实验手段（如加料方式， MHD抑制等）控制电流和压强分布参数，实现先进的，自洽的高约束电浆。提高能量约束时间（1-2倍）和电子温度（>五千万度）。3）高磁比压和运行极限的研究：实现具有约束改善的兆瓦级功率电流驱动和加热，研究高磁比压（高b N）条件下电浆稳定性。4）加料、排灰、排热研究：研究準稳态条件下（100倍于粒子循环时间尺度）电浆边界行为和粒子再循环，实现加料、排灰、排热的控制，使电浆密度和壁的再循环达到稳态。（汪舒娅供稿/02年11月）此网页最近更新于02年11月19日。“九五”国家重大科学工程项目“HT-7U超导托卡马克装置建设”介绍HT- 7U超导托卡马克以其具有低温超导的纵场磁体系统和极向场超导磁体系统而受到国内外聚变界的广泛关注。我们电浆物理研究所的全体员工为我们所能承担这样一个国家级的重大科学研究工程项目而感到无比荣幸，为使我所广大科研人员特别是未能直接承担这个科研任务的同志们能较为全面的了解该科研项目的情况，进而也为完成该项目献计献策，特在此简要介绍有关该项目的立项、预研、设计等情况。我们非常欢迎所内外的广大科研人员都来关心、关注HT-7U工程项目的设计和建造，为顺利完成这一重大科学工程项目而努力。HT-7U项目的来由和立项情况近年来，我国的核聚变研究伴随着全面改革开放和国家的综合国力的增强从而对科学技术研究及教育投入的逐步增加而得到长足的发展，多年来陆续建成的一批核聚变实验研究装置都取得了极好的实验研究成果。其中建在我所的HT-7超导托卡马克尤其以其具有低温超导纵场磁体系统而倍受国内外聚变界的关注。为了更进一步发展、推进我国的聚变科学研究事业，探索非圆、大拉长截面、稳态的电浆实验控制技术，更深入研究全低温超导托卡马克实验装置的设计、建造和实验技术，从而全面掌握托卡马克类核聚变实验装置各种技术，我所在HT-7投入运行并取得良好实验结果的同时，适时提出建造HT-7的升级装置“HT-7U全超导托卡马克装置”的计画。所谓全超导意为构成托卡马克装置的全部纵场系统和极向场系统都採用低温超导磁体组成。这个计画得到了世界聚变科学研究专家们的极大支持，我所为该计画的顺利实现作了大量的先期预研和设计计算工作。下面简要回顾一下HT-7U全超导托卡马克装置的立项历程：1993年10月，以欧共体聚变部名誉主任帕侖布教授为首的来自国际上各大核聚变实验室的12位着名聚变科学家，对我所当时正在建设的HT-7超导托卡马克装置和中国科学院电浆所的聚变研究发展战略进行了评议。这是我所第一次提出分三阶段实施聚变科学研究的计画。1994年底，科学院基础局邀请了6位两院院士和8位专家在合肥召开了“HT-7U超导托卡马克计画座谈会” ，这是HT-7U计画首次较正式提出。1996年初，部分两院院士在京西宾馆对“九五”国家重大科学工程项目进行初步评估， HT-7U装置建设第一次得到国家级专家的赞同并被列入前十位项目中。1997年6月，国家科技领导小组批准中国科学院关于“HT-7U大科学工程项目立项”的申请，该项目正式进入国家重大科学工程项目的立项操作程式。1997年10月，由国家计委委託中国科学院主持召开“HT-7U工程项目建议书专家评估会”；该项目的建设方案和计画获得与会专家的好评。1998年4月，正式通过国家计画发展委员会委託中国国际工程谘询公司主持召开的“HT-7U工程项目建议书专家评估会”的评估论证，这表明该项目的科学目标和技术参数及方案都得到专家们的讚许。1998年7月，国家发展计画委员会正式批覆“HT-7U工程项目建议书”（批文中同意“由中科院电浆所承担建设” ， “具有超导纵场和极向场线圈，具有D形非圆截面，包括托卡马克、低温致冷等9个子系统” 。批文规定“在2003年6月完成建设工作并进行鉴定验收。项目总投资控制在1.65亿元”）1998年10月， HT-7U工程项目可行性研究报告在北京获得中国科学院基建局主持的专家评估会一致通过，至此，该项目的设计方案和工程经费基本确定，国家发展计画委员会和财政部依此拨出专项经费。HT-7U项目的科学目标受控热核聚变的实验和研究，经过50多年核聚变界科学家们的不懈努力，终于在常规Tokamak类型的装置上取得了突破性的进展。但是按照常规托卡马克装置建堆，不仅体积大、效率低，而且是脉冲运行。但是，一个经济实用的商用堆必须是高效、紧凑和稳态运行的。超导托卡马克正是在这一点有着极大的优势，即可以稳态运行。如果在超导托卡马克上实现了稳态运行又在稳态运行条件下大大改善了约束，则将为未来稳态、先进聚变反应堆奠定工程技术和物理基础，意义十分重大。HT-7U不仅是一个全超导托卡马克而且具有会改善电浆约束状况的大拉长非圆截面的电浆位形，它的建成将使我国在2003年左右成为世界上少数几个拥有这种类型超导托卡马克装置的国家，从而使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。在装置建成后的10~15年期间，能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究。HT- 7U的建成将使中国在人类开发清洁而又无限的核聚变能的领域内做出自己应有的重大贡献。因此， HT-7U的建造具有十分重大的科学意义。本项国家级重大科学工程的主要工程目标是必须建设：可稳态运行的超导托卡马克HT-7U装置主机，该实验装置应达到如下主要设计参数：超导纵场场强BT = 3.5T电浆大半径R = 1.78m电浆小半径a = 0.4m电浆拉长比K = b/a = 1.6 ~ 2加热场最大磁通变化能力△Φ = (8-10)V-S电浆电流IP = 1 MA可稳态运行的低混杂波驱动电浆电流系统（LHCD），该系统主要工程参数应达到：总功率 P = 3.5 MW工作频率 f0 = 2.45 GHz ， 3.7 GHz可连续运行的离子迴旋波加热系统(ECRF) ，该系统主要工程参数应达到：总功率 P = 3 ~ 3.5 MW工作频率 f0 = 30 ~ 110 MHz 可保证HT-7U基本运行和实验的其它工程系统：如低温、诊断、电源、真空、计算机控制、数据採集和处理、水冷系统等，这些子系统的也都毫无疑问必须满足HT- 7U超导托卡马克装置稳态运行的要求。HT-7U不是一个聚变堆，它是针对目前建造托卡马克核聚变堆尚存在的前沿性物理问题，进行探索性的实验研究，为未来稳态、安全、高效的先进商业聚变堆提供物理和工程技术基础。HT-7U项目的有关组织管理机构HT-7U项目的最高管理机构是由中国科学院任命的“HT- 7U项目管理委员会” ，中国科学院副院长白春礼任管委会主任，安徽省常务副省长汪洋任副主任，组成人员有中国科学院秘书长竺玄、副秘书长钱文藻、计财局长顾文琪、基建局长薛钟灵、基础局长金铎和合肥分院院长王绍虎以及国家发展计画委员会一人、科学技术部一人。HT-7U项目完全按照国家基建项目实施总经理负责制的组织管理，中国科学院任命的工程指挥部组成人员如下：万元熙为项目总经理（项目法人），翁佩德、谢纪康、李建刚任副总经理，翁佩德兼任总工程师；王孔嘉任总经济师；高大明任总工艺师。中国科学院还任命了HT-7U项目科技委员会的组成人员，赵仁恺院士任科技委员会主任，徐至展院士、严陆光院士和石秉仁研究员任任副主任，组成人员有阮可强院士、贺贤土院士、赵凯华教授、余昌旋教授、舒炎泰教授、陆全康教授和我所的邱励俭研究员。为便于切实抓紧、抓好HT-7U项目的建设工作和有关改项目的各项管理工作，所领导决定：1、设立HT-7U项目总经理办公会来协调、决定有关HT-7U项目的重大管理方面的决策；2、成立HT-7U工程总体组(副总工程师、副总工艺师、副总经济师等组成）；任命了各分项技术负责人，设立由以上人员组成的总工程师办公会议来研究、解决HT-7U工程建设中的有关设计方案和实施方案方面的重要技术问题；还设立了依邱励俭为首王绍华、季幼章、许家治等参加的工程顾问组。工程总体组及各分项技术负责人如下：副总工程师：武松涛（主机设计)毕延芳(低温系统、超导导体)高秉钧 (超导实验)李建刚（第一壁及真空系统）刘正之（电源及控制）副总工艺师：王永诚、孙世洪副总经济师：黄贵、姜桂萍总控制、数采及处理系统罗家融真空抽充气及加料、第一壁处理等辜学茂水冷系统（包括去离子水冷却系统）张祥勤电网设计及供电系统孙世洪、周士国诊断系统万宝年基建（包括冷、暖）孙世洪环保分析及安全监控吴宜灿LHCD系统匡光力ICRH系统赵燕平ECRH系统刘保华我所目前已介入HT-7U项目建设工作的科研人员大约有近200人，主要有一室和三室的全部人员，二室、五室、六室、七室、八室、十室、十一室、技术中心和研製中心以及管理部门的部分人员。目前， HT-7U项目的所有设计人员都实行严格的岗位责任制，发放岗绩津贴，全所上下都对于HT-7U项目的设计和研製倾注了满腔热情，提供了各方面的支持。HT- 7U项目的设计、研製进展在所领导和HT-7U工程指挥部的强有力的领导下，在所有参加HT-7U项目的设计和预研工作的同志们的共同努力下（其中也包括有所外的有关工厂和研究部门的大力协作）， HT-7U项目的工程设计和预研已经取得了多方面的进展，我们在此简要介绍如下：1、HT-7U装置超导磁体所使用的CICC超导导体的研製取得了重大进展，装置设计室在合肥电缆厂和西北有色金属研究院等工业部门的协作下，顺利研製出一根长度为200米的模拟CICC导体和两根总长为600米的全尺寸CICC超导导体，这是我国第一次研製出大电流的低温超导导体，继以上的包管焊管制造CICC超导导体后，装置设计室又在合肥电缆厂和所研製中心的协作下，顺利研製出穿管制作的CICC超导导体，这为降低CICC超导导体的造价和减小製造的技术难度起到了决定性的作用。2、所研製中心已经成功地研製出专用于HT- 7U装置CICC超导导体绕制的绕线机，并且已经使用该绕线机和模拟CICC导体绕制出2:3尺寸的D形纵场模拟双饼工艺试验磁体，这标誌着我所研製中心具备了绕制具有较高精度的複杂D形磁体的加工能力。3、装置主机设计方案初步完成，其中超导纵场系统已经按两种超导导体的方案进行了技术方案设计，即基于採用美国SSC电缆的浸泡式超导磁体方案和基于CICC导体的迫流内冷超导磁体方案；极向场电磁参数特别是加热场参数的最佳化设计计算取得了比较好的设计计算结果；真空室、内外冷屏、外真空室以及装置的支撑结构等方案也已初步确定，现正在进行有关的工程设计和工艺技术方面的调研、讨论。4、装置设计室完成极向场中心螺管模拟线圈的设计，目前正在所研製中心利用自行研製的两根总长为600米的CICC超导导体进行绕制，这将是我国的第一个大电流低温超导磁体。在进行并完成以上工作的同时，为确保HT-7U装置设计既具有参数先进又稳妥可靠，有选择地将有关的设计工作作为国际合作项目徵求国外专家的意见，其中对于装置的总体设计参数和装置的工程方案设计已经召开了有世界核聚变领域的着名专家参加的国际讨论会。与有着丰富超导托卡马克设计製造经验的俄罗斯库尔恰托夫研究院核聚变所和叶夫列莫夫所开展了较为广泛的合作，对有关的设计计算参数、电磁场分析计算、电浆的平衡位形设计计算、传热和超导移能等进行了分析校核。关于装置的极向场物理设计和电浆平衡位形的设计计算方面还与美国GA开展了合作，用美国的程式对HT-7U的设计计算进行了进一步的校核。目前，除各子系统都在进行紧张的扩大初步设计外，有关的研製工作也在紧张进行中。主要有：1、通过国际合作，对已经研製出的CICC超导导体进行超导性能方面的综合测试试验，以便为CICC超导导体的最终设计提高必要的数据，也为我们自己建立超导导体、超导磁体测试实验室提供借鉴和经验。该项工作今年必须完成。2、装置设计室完成了低温超导试验所必需的试验大杜瓦的设计，目前正在进行加工製造的询标、议标工作，今年力争基本完成加工并进行组装调试。3、中心螺管模型磁体必须完成绕制、绝缘处理等全部製造工序，装置设计室完成的大电流的CICC超导导体的接头的研製必须在上半年完成，以便确定模型磁体所採用的超导导体接头形式。4、单根长度达600米的CICC超导导体穿管生产线今年完成建造，进行试製生产。全部的装置设计资料、参考资料、设计计算报告等技术资料都已经在总师办归档保存，已经可以从网路上查阅资料名称，也可以很方便地去总师办借阅。有关项目的档案和技术契约、合作协定类资料在项目办公室保存。HT- 7U项目的有关技术难点承担“HT-7U超导托卡马克装置建设”项目是对我所的核聚变实验装置工程设计能力和技术加工能力以及超导托卡马克装置运行实验的检验和挑战，应该看到儘管我所有着一定的托卡马克设计、製造、运行和控制的经验，但对于HT-7U超导托卡马克装置这样的全超导托卡马克装置，非但是我们所，即便是世界上的核聚变大国(美国、西欧、日本、法国、俄罗斯等) ，也都未曾有这样的经历和经验，所以，可以毫不夸张地说HT-7U超导托卡马克装置的建成之日，也一定是我国进入世界核聚变研究大国的行列之日。正因为如此， HT-7U超导托卡马克装置的设计建造以及实验运行是必然的给我们带来了巨大的挑战，我们必须对此有一个清醒的认识。其中最为核心的具有挑战性的工程技术方面的难点有：HT-7U装置所使用的CICC超导导体的设计、研製和试验测试技术；较大电流变化、较高磁场变化的超导极向场磁体的设计、製造和试验测试及实验运行技术；非圆、大拉长截面、稳态的电浆控制技术；从HT-7U超导托卡马克装置建设的立项可以看出，我国的核聚变科学研究工作已经得到国家的大力支持，该项科学研究已经有着广泛的国际合作的基础。随着我国综合国力的提高，相信国家对聚变研究的支持强度肯定会不断增加，在此基础上，中国开发聚变能的研究一定会进入世界先进行列并为人类社会的可持续发展做出重大贡献。努力做好我们的工作，把HT-7U装置早日建成，为把我国建成科技强国而奋斗,为我国的技术进步而努力。附HT-7U项目一级课题一览表：课题号课题名负责人U1010000主机设计武松涛U1020000低温系统毕延芳U1030000电源系统刘正之U1040000真空系统辜学茂U1050000超导实验高秉钧U1060000第一壁材料李建刚U1070000环保与防护吴宜灿U2010000物理设计虞清泉U2020000低混杂波匡光力U2030000离子迴旋波赵燕平U2040000 数采罗家融U2050000控制罗家融U2060000诊断万宝年U2070000电子迴旋波刘保华U3010000高大明U3020000孙世洪U3030000孙世洪U3040000水冷系统张祥勤U3050000高大明U3060000高大明U4010000王孔嘉U4020000王孔嘉U4030000翁佩德U4040000王孔嘉U4050000王孔嘉U4060000高大明U4070000王孔嘉