SUNIST球形托卡马克装置 SUNIST 清华大学工程物理系 2004年8月

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1 SUNIST球形托卡马克装置 SUNIST 清华大学工程物理系 2004年8月
何也熙 清华大学工程物理系 2004年8月 SUNIST- Sino UNIted Spherical Tokamak

2 SUNIST UNIST 主要内容 SUNIST装置 真空室和真空系统 磁体和电源系统 放电的主要进展

3 SUNIST装置 磁约束聚变实验装置 磁约束聚变装置是集成了多种高技术装备的受控热核反应实验平台，典型的托卡马克实验系统：
电源系统 包括初级能源和脉冲电源。大、小装置分别使用飞轮或电容器储能。长脉冲装置使用超导磁体，由电网直接供电 控制系统 放电的程序控制及等离子体参数和运行状态的反馈控制 辅助加热（大功率中性粒子束，电子、离子回旋共振和低杂波加热和电流驱动，运行状态调节） 数据采集系统 主机 由 磁体、结构、真空室及相关系统构成 第一壁（面向等离子体部件）由高热导炭基和高熔点、低溅射率金属部件，以及传热冷却结构构成 技术支持系统 包括供电、水、气；和装置增大和脉冲拉长后，因超导所需的低温供给及第一壁的实时冷却系统 诊断系统 包括大量等离子体参数的时空分辨诊断和运行状态的测量装备

4 SUNIST装置 SUNIST主要参数 大半径 R 0.3 m 小半径 a 0.23 m 环径比 A ~ 1.3 拉长比 κ ~ 1.6
拉长比 κ ~ 1.6 环向场强 （R0） BT ~ T 等离子体电流 IP ~ MA BT中心导体电流 IROD ~ MA 加热场磁通（双向）ΔΦ < 0.06 Vs

5 SUNIST SUNIST装置 主要部件 左上：SUNIST主机装配模式 左下：SUNIST磁体 上：沿大环圆周电绝缘的真空室分解

6 SUNIST装置 总装合拢 左上：預装完成的真空室垂直场线圈和中心柱下回臂组件 左下：預装组件的穿套 右上：穿套完成的组件

7 真空室和真空系统 真空室 SUNIST SUNIST真空室主要参数： 外径 1.2 m 内径 0.13 m 高 1.2 m
真空室和真空系统 真空室 SUNIST真空室主要参数： 外径 m 内径 m 高 m 体积 ~ 1 m3 表面积 ~ 2.3 m2 本底压力： ~ 6×10-5 Pa 左：真空室进入实验室 中上：真空室的粗坯 中下：备装时的半个真空室 右上：加工密封面 右下：出厂前的检漏

8 真空室和真空系统 真空系统 SUNIST真空系统： 真空获得系统—涡轮分子泵、溅射离子泵、旋片泵
真空室和真空系统 真空系统 SUNIST真空系统： 真空获得系统—涡轮分子泵、溅射离子泵、旋片泵 真空测量系统－总压测量（离子规、电阻规、电容规）、分压测量（四极貭譜计）、氦貭譜检漏仪、标准漏孔 加料系统－超纯氢发生器、气瓶、缓冲气罐、压电阀、充气控制 真空室清洗处理－烘烤系统（PTC发热元件）、辉光放电系统（电极和电源）、现场硅化膜沉积（氦＋硅烷,等离子体增强化学气相沉积）

9 SUNIST 真空室和真空系统 真空系统 托卡马克真空运行目的是为等离子体放电提供必需的空间条件—提供合适的工作气体气压并将不可控制的气体释放控制到最小。其基本特点： 真空室在放电时的行为：真空室的意外气体排放是等离子体杂质和再循环成分的唯一来源。对此的控制包含两各方面的内容，一是使保持真空室壁表面吸附的气体尽量少（单分子层厚度）——长期保持真空室的超高真空气氛并采用真空清洗控制真空室表面的气体吸附状态，二是尽量控制壁表面在等离子体作用下的粒子释放——利用硼化（或硅化）膜的沉积控制因等离子体与壁相互作用的释放粒子过程（粒子感应和热解吸－軽杂质、粒子溅射－重杂质）。氧和碳是希望控制的軽杂质，金属粒子会严重加大等离子体芯部的辐射损失。 运行的气压范围：放电时的平均气压在10－2 Pa，本底气压保持在10－5 Pa以下。工作气体为氢，或氘或氦。 加料的模式：加料分两阶段，放电起始用脉冲充入工作气体、过程中用密度反馈方式充气维持希望的等离子体密度。更合理的加料是使工作粒子直接注入到等离子体内部，高的加料效率会减小等离子体与壁的相互作用。小装置充气大多只需一次脉冲充气。连续充气将使壁上的气体吸附难以控制，除在氦放电外，不推荐使用。 真空室壁的漏气和壁或室内材料溶解的气体通过表面释放是真空室的杂质源，应严格控制引入真空室内材料的种类和数量、随时注意真空室内剩余气体分压的变化，以便控制真空室的运行状况。

10 SUNIST 真空室和真空系统 真空室的密封 真空室的氟橡胶交叉密封（上） 窗口的无氧铜垫片密封（右上） 特殊窗口的氟橡胶密封（右下）

11 SUNIST 真空室和真空系统 真空室的辉光放电清洗 真空室壁条件对放电质量有强的影响。经过放电和溅射钛泵的维持后，真空室中的28及18质谱峰（水和一氧化碳）上升为主要剩余成分，而且很难被抽除，44有时也会有强上升。真空室尚有泄漏，钛泵长时间维持时可观察到有稳定的氩峰积累，其值与钛泵对氩的抽速和系统的漏率有关。 （右下图） 辉光放电清洗对于降低28、18峰很有效 (见左中图)，氦辉光效果似乎更突出，体现在放电重复和充气范围变宽。短时间（10分左右）的辉光后，水分压会上升超过辉光前的值。较长时间的辉光放电对18峰的降低效应更强。

12 真空室和真空系统 真空室壁硅化 SUNIST 图为04年1月13日首次在 SUNIST上进行硅化的照片。 硅化条件为： 时间 1 小时
真空室和真空系统 真空室壁硅化 图为04年1月13日首次在 SUNIST上进行硅化的照片。 硅化条件为： 时间 小时 气体 氦/硅烷（8/2） 气压 ~ 0.5 Pa IGDC ~ 0.8 A 硅化后的真空室质谱

13 SUNIST 磁体和电源系统 设计磁面

14 磁体和电源系统 磁体 SUNIST磁体电源主要参数及互感 线圈 匝数 电感（mH） 电阻（mW） 电流（kA） 电压/电容 （V/mF）
磁体和电源系统 磁体 SUNIST磁体电源主要参数及互感 线圈 匝数 电感（mH） 电阻（mW） 电流（kA） 电压/电容 （V/mF） 环向场 24 508 4.72 9.38 200/1280（2560） 加热场 236 519 17.8 13 3000/13.3 平衡场 26 684 15 1.5 1200/1, 120/470 电感（ mH ） 加热场 平衡场 等离子体电流 519 124.3 684 2.3 5.54 0.33

15 磁体和电源系统 磁体 左上：纵场中心导体的试样截面 左下：在纵场中心导体外绕制中心螺管 右上：纵场中心导体的装配 右下：安装中心柱下回臂组件
SUNIST 磁体和电源系统 磁体 左上：纵场中心导体的试样截面 左下：在纵场中心导体外绕制中心螺管 右上：纵场中心导体的装配 右下：安装中心柱下回臂组件

16 SUNIST 磁体和电源系统 脉冲电源 放电过程（上）,电容充电回路（下），纵场放电主回路（右上），加热场主回路（右中），垂直场主回路（右下）

17 SUNIST 磁体和电源系统 加热场改造 加热场改造—从单边放电改双边，扩大可利用的磁通变化，延长等离子体电流平顶。在不使用反向放电时，可实验垂直场的磁通贡献。 改造加热场的主回路 由C1向加热场线圈充电。电流达最大值时，关断SCR1、导通SCR3和SCR4，线圈通过R1//R2放电，感应出击穿气体并形成等离子体电流的环电压。环电压减小后，关断SCR4，继续保持较高的环电压。当环电压难以维持时，导通SCR2、5，关断SCR3，C2向Lohm反向放电，维持相对恒定的环电压，至放电结束。

18 放电的主要进展 2002年11月4日，首次联合调试见到第一次等离子体放电。并意识到影响放电的关键因素是平衡场电流波形的下降。
SUNIST 放电的主要进展 2002年11月4日，首次联合调试见到第一次等离子体放电。并意识到影响放电的关键因素是平衡场电流波形的下降。 2003年3月开始放电调试。认识到加热场、平衡场的耦合是造成平衡场电流波形改变的原因。考虑从控制平衡场电流角度维持合适的电流波形。 因非典影响和需积累更多的技术储备考虑，拟分两步解决平衡场问题。主动控制电流波形仍是努力目标，近期对平衡场放电回路进行重新调配。 2003年10月，经过试验改变平衡场回路调配，解决了因耦合平衡场电流变形，等离子体电流波形有了极大改进。开始第二轮以边界特性为主的实验。 2003年12月，较大幅度调节、寻求更合适的运行参数。发现在一定的等离子体电流范围，固定加热场，等离子体电流平顶随平衡场电流平顶升降；等离子体电流平顶在没有外加付秒数情况下仍能维持一段时间。继续进行边界等离子体及MHD实验。

19 放电的主要进展 首次放电 2002年11月4日，首次联合调试放电。 等离子体电流 40kA 环向场强 600G 加热场电流 ~ 9kA
SUNIST 放电的主要进展 首次放电 2002年11月4日，首次联合调试放电。 等离子体电流 40kA 环向场强 600G 加热场电流 ~ 9kA 平衡场电流 ~800A 击穿环电压 ~ 7V 击穿延时 ~0.5ms 工作气体 氦

20 放电的主要进展 BOHM与BE耦合及改进 从SUNIST初期的放电调试看出加热场与 垂直场的强耦合是当时影响等离子体放电平衡质
量的根本障碍。 解决的措施： 近期 调整平衡场电容器的容量及运行电压，在与加热场耦合条件下，维持满足等离子体要求的平衡场回路电流上升率及平台，提供2毫秒左右的等离子体电流平顶。 最终 与加热场双向放电改造同步，实现等离子体电流与平衡反馈控制，彻底解决这一问题。提供10毫秒以上的电流平顶。 平衡场电容： C1 从 1 mF/2000 V 到2 mF/1000V C2 从0.5F/250V到18.8mF/450V（4.7mF/900V）

21 SUNIST 放电的主要进展 BOHM与BE耦合及改进 左下图所示为10、11月期间SUNIST的较为典型的放电波形。与此前放电最大的不同是平衡场电流到顶后的下降被消除，可以较为任意的选择平衡场电流的上升和维持波形；等离子体电流环有了得到水平平衡位置的条件，不会在到顶后即刻下降；在相似加热场电流时，等离子体电流持续时间和顶宽都明显增加。 右下图是12月期间的典型放电波形。最突出的改善是加热场电流在等离子体电流的平顶段到顶，平衡场电流早已在平顶段，此时由外场提供的环电压应极小。