劉 永，李 強，HL-2M研制團隊

(核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 610225)

托卡馬克磁約束受控聚變等離子體物理研究進入到建立聚變實驗堆、研究氘氚燃燒等離子體科學(xué)問題的階段。國際熱核聚變實驗堆(ITER)即將投入實驗運行，它將建立氘氚燃燒的聚變等離子體，獲得高功率增益(Q=10)較長時間(500 s)的聚變功率輸出(500 MW)，開展面向聚變能源開發(fā)的等離子體物理實驗研究，為聚變示范堆DEMO的設(shè)計和建造奠定基礎(chǔ)[1]。ITER是聚變能源研發(fā)的重要里程碑，也是十分難得的寶貴實驗平臺。中國是ITER的成員，為消化吸收ITER設(shè)計的物理基礎(chǔ)，更好培養(yǎng)ITER實驗物理學(xué)家參與ITER實驗，達到利用ITER研究面向聚變堆的等離子體物理問題的目的，需要我國的托卡馬克裝置有能力開展高參數(shù)高品質(zhì)聚變等離子體的實驗。因此，有必要設(shè)計建造裝置規(guī)模、參數(shù)水平在目前國內(nèi)現(xiàn)有裝置之上的新托卡馬克，能夠運行在更先進的位形下，并配備高功率加熱系統(tǒng)，將等離子體參數(shù)提高到堆芯級別，實現(xiàn)高比壓、高能量約束時間和高自舉電流份額的先進托卡馬克運行，從而開展ITER物理和未來聚變堆相關(guān)的科學(xué)研究和工程技術(shù)研發(fā)。為此，核工業(yè)西南物理研究院啟動建造中國環(huán)流器二號M(HL-2M)裝置，并將于2020年完成工程建造。

1 HL-2M裝置設(shè)計

1.1 項目背景

自20世紀80年代，一些大托卡馬克先后投入實驗運行，如TFTR(美國)、JET(歐盟)、JT-60U(日本)、DIII-D(美國)和ASDEX-U(德國)等。1991年TFTR開展氘氚實驗后，JET也開展了氘氚實驗并在1997年獲得了16MW的聚變功率輸出，JT-60U采用氘獲得了最高的聚變?nèi)朔e以及最高的等效聚變功率增益1.25。這些裝置的等離子體品質(zhì)和參數(shù)接近聚變堆芯的水平，驗證了建造托卡馬克聚變堆的原理可行性，激勵了中國、美國、歐洲、日本、俄羅斯、韓國和印度合作，共同建造更大的托卡馬克ITER。ITER是用以開展氘氚燃燒等離子體實驗研究的聚變堆，其設(shè)計的物理基礎(chǔ)主要來自上述大裝置的等離子體物理實驗研究。按照目前計劃，ITER將于2025年完成工程建造，投入實驗運行。ITER是聚變堆規(guī)模的實驗設(shè)施，用以研究氘氚燃燒的等離子體物理，為聚變堆如DEMO設(shè)計和建造提供等離子體物理基礎(chǔ)。ITER的建造和運行標志著托卡馬克聚變堆的研發(fā)進入到科學(xué)和技術(shù)可行性的驗證階段[1]。

我國的托卡馬克取得了較大發(fā)展，先后建造和運行了中國環(huán)流器一號(HL-1，1984)、中國環(huán)流器新一號(HL-1M，1995)、HT-7等裝置，目前正在運行中國環(huán)流器二號A(HL-2A，2002)[2-4]和東方超環(huán)(EAST)[5-6]，開展了高參數(shù)高品質(zhì)磁約束等離子體物理實驗，取得了一些創(chuàng)新研究成果，并發(fā)展了工程技術(shù)[2-6]。但我國裝置常規(guī)運行的等離子體電流Ip較低，等離子體參數(shù)和品質(zhì)仍然有限，要對接ITER實驗，差距也是明顯的。

1.2 等離子體物理研究

加入ITER后，我國快速提升了對磁約束聚變等離子體的科學(xué)技術(shù)的認識水平和能力，提出了開展更高參數(shù)近堆芯的等離子體科學(xué)研究的迫切的要求。HL-2M裝置既是新建，則必須承擔(dān)該使命，必須具有更高的等離子體參數(shù)和更靈活的實驗運行能力。

ITER設(shè)計前，通過大量托卡馬克的物理實驗，已經(jīng)掌握了等離子體物理一些基本規(guī)律，如約束、輸運、等離子體加熱和驅(qū)動、MHD和破裂、粒子流和熱流、平衡與位形等，發(fā)展了數(shù)值計算、加熱、控制、運行等工程技術(shù)能力。隨著大托卡馬卡的建設(shè)和實驗運行，裝置規(guī)模增加，可運行百萬安培以上Ip，推動了托卡馬卡裝置設(shè)計、建造、運行和控制等方面的工程技術(shù)能力的發(fā)展，更重要的是，將等離子體參數(shù)和聚變功率輸出推進到了逼近聚變建堆功率得失相當(dāng)?shù)乃?，即聚變功率增益“QDD或QDT”接近甚至大于1，大裝置的氘氚實驗驗證了采用托卡馬克實現(xiàn)聚變能源利用的原理可行性。促使聚變等離子體的研究內(nèi)容，提升到了聚變堆規(guī)模的托卡馬克的堆芯氘氚燃燒等離子體物理問題的新階段，因此誕生了ITER。這些大裝置的等離子體物理實驗結(jié)果適當(dāng)外推，成為ITER設(shè)計的物理基礎(chǔ)[1,7]。

ITER的等離子體按設(shè)計運行，則表明在大裝置上獲得的等離子體科學(xué)問題向聚變堆規(guī)模裝置外推的科學(xué)可行性，并為其開展氘氚實驗奠定了基礎(chǔ)。氘氚燃燒伴隨核聚變和氦(粒子)的可控產(chǎn)生，提供更接近聚變堆芯的等離子體，物理問題也變成氘氚燃燒即粒子下的等離子體物理問題，如粒子加熱/約束/輸運、粒子驅(qū)動的MHD效能、高聚變功率的排灰和排熱、加料、燃料循環(huán)、遠程維護等物理和工程技術(shù)問題。研究這些燃燒等離子體物理的問題，并探索面向未來聚變堆的自持燃燒等離子體物理問題是ITER的使命。在ITER即將開展物理實驗的背景下，各國裝置上的等離子體物理研究不僅沒有削弱，反而得到加強，如JET、DIII-D、JT-60SA、DTT等托卡馬克的實驗計劃和建造。

HL-2M等離子體電流可達2.5MA以上，是我國托卡馬克裝置跨接到ITER的橋梁，不僅承擔(dān)著大裝置開展近堆芯等離子體物理研究、消化吸收ITER設(shè)計物理基礎(chǔ)的任務(wù)，還承擔(dān)著開展ITER衛(wèi)星實驗或先行實驗的任務(wù)，以利于更好培養(yǎng)實驗物理科學(xué)家，更好參加ITER實驗研究等離子體科學(xué)問題。HL-2M裝置的設(shè)計、建造和運行將支撐未來核聚變堆的發(fā)展，為聚變堆關(guān)鍵科學(xué)和工程技術(shù)問題的解決提供重要平臺，為未來聚變能開發(fā)和我國牽頭大科學(xué)工程奠定科學(xué)基礎(chǔ)，儲備技術(shù)，培養(yǎng)人才。

1.3 工程設(shè)計出發(fā)點

為深度參與ITER運行實驗和為建造聚變堆提供技術(shù)支撐，HL-2M工程設(shè)計要求其等離子體參數(shù)明顯超過我國現(xiàn)有托卡馬克，其常規(guī)物理實驗等離子體電流能在兆安培以上條件下開展，并具備開展堆芯級實驗的能力。過基本設(shè)計原則是實驗和運行靈活、等離子體可近，便于等離子體控制、加熱、診斷等系統(tǒng)的布設(shè)和實施，易于獲得并維持更高參數(shù)、更高品質(zhì)的堆芯級等離子體。因此工程設(shè)計目標，首先要求其等離子體參數(shù)明顯超過我國現(xiàn)有的托卡馬克，常規(guī)物理實驗?zāi)茉谡装才嗟腎p下開展，工期等要素，確保工程可行性，盡量綜合利用現(xiàn)有的工程系統(tǒng)和科研設(shè)備。最終項目整體的建設(shè)內(nèi)容包括裝置主機、供電能力的提升、加熱和診斷系統(tǒng)的研制以及配套設(shè)施等[8]。

2 裝置主機

裝置主機主要包括主機部件、主機輔助系統(tǒng)以及主機輔助工程，如廠房、屏蔽、基礎(chǔ)等。主機是HL-2M裝置的核心，主機的設(shè)計原則是確保裝置的使命、設(shè)計原則和工程目標的實現(xiàn)。因此盡量具有高的等離子體參數(shù)運行能力，再依照結(jié)構(gòu)緊湊、運行靈活、位形多變、工程可行的要求，確定裝置結(jié)構(gòu)，即極向場(PF)線圈位于環(huán)向場(TF)線圈之內(nèi)。再經(jīng)過反復(fù)迭代，順序確定裝置的支撐和穩(wěn)定系統(tǒng)；基本參數(shù)和尺寸鏈；線圈和真空室的工程參數(shù)和結(jié)構(gòu)；運行和控制；系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。上述基本元素得到確認后，進入工程設(shè)計[8,9]。最終HL-2M裝置主機的主要參數(shù)見表1，為確保設(shè)計目標，工程設(shè)計時對部件的力、電和熱載荷校核預(yù)留了裕度，反映裝置的幅值運行潛能。主機的設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 HL-2A和HL-2M的參數(shù)對比Table 1 Main parameters of HL-2A and HL-2M

圖1 HL-2M裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The design structure of Tokamak HL-2M

2.1 主機部件

HL-2M裝置的主機各部件見圖2，主要部件包括線圈[8,9]、真空室[10]和支撐結(jié)構(gòu)[11]。線圈是重要部件，分為TF、PF和CS線圈。

圖2 HL-2M裝置等離子體截面圖Fig.2 The sectionalview of the components of HL-2M1/10—上/下板；2—TF線圈指形接頭；3—TF線圈(內(nèi)段)；4—TF線圈水冷管；5—CS線圈；6—上下拉緊螺桿；7—PF線圈；8—真空室；9—重力支撐環(huán)；11—TF線圈斜面連接；12—TF線圈液壓預(yù)緊；13—基礎(chǔ)連接；14—TF線圈匝間連接；15—真空室支撐；16—防扭斜拉梁；17—TF線圈(外段)；18—斜拉梁長度調(diào)節(jié)

(1)TF線圈[8,9]

PF線圈放置在TF線圈之內(nèi)，可拆卸。各PF線圈和真空室各自作為整體吊裝后，再最終連接TF線圈。由于TF線圈的電磁和力學(xué)載荷極大，其設(shè)計制造難度大大增加。TF線圈的制造、連接、安裝和支撐成為工程難點。

較高的Ip需要較高的環(huán)向磁場Bt，TF線圈總電流達到20MA以上。還需結(jié)構(gòu)確保等離子體可近、方便開展實驗，盡量降低拆卸接頭數(shù)量和TF紋波。最終TF線圈分成20餅，每餅7匝，合計140匝。單匝線圈電流為140 kA時，在等離子體中心Bt為2.2 T，中平面弱場側(cè)的TF紋波0.67%。單匝TF線圈由內(nèi)直段(內(nèi)段)、上橫段(上段)和外弧段(外段)3段銅板組成。捆扎成中心柱。中心柱上繞制中心螺線管(CS)線圈，整體成為中心柱組件。中心柱組件所攜帶的中平面和中心軸成為所有部件安裝的基準[8,11]。

TF線圈電流大、力學(xué)載荷大。外段的上下端分別連接上段和內(nèi)段(斜面連接)，斜面連接處實施液壓水平向心預(yù)緊抵抗平面內(nèi)力，見圖2。采用精密指形接頭結(jié)構(gòu)，經(jīng)精密機械加工對上段實施特別力學(xué)保護，這是設(shè)計、加工和運行的難點。

外段銅板經(jīng)加工實現(xiàn)匝間跳接，設(shè)置一電流回線。每餅外段的8個銅板斷面采用絕緣螺桿緊拉固定以加強剛度，防止側(cè)向力引起匝間錯動。

安裝順序為：上段、外段、餅間跳線。TF線圈安裝后立即進行接觸電阻測量。運行時采用慣性水冷卻帶走焦耳熱。TF線圈的運行時間主要決定于儲能能力及焦耳熱，進而決定裝置的放電時間，降低參數(shù)可實現(xiàn)數(shù)十秒的等離子體放電。

(2)PF和CS線圈[8,9,12]

PF和CS線圈位于真空室和TF線圈之間，可產(chǎn)生垂直拉長比為2、三角形變系數(shù)大于0.5的常規(guī)單、雙零和孔攔位形，并具有建立其他平衡位形的能力，如反三角形變、雪花偏濾器等。PF線圈由8對上下對稱共計16個線圈組成，見圖2。PF7線圈采用斜截面更貼近等離子體，匹配真空室和TF線圈之間的縫隙。PF線圈距離等離子體近，自身耗能降低，自感較小更容易對其電流實施快速控制，且由于在等離子體區(qū)產(chǎn)生的磁場定位性更好，有利于等離子體截面的形變，更好開展偏濾器和邊沿物理方面的科學(xué)研究。

等離子體擊穿時，所有線圈維持擊穿區(qū)零場。真空室環(huán)向電氣連通，環(huán)向渦流可被PF線圈有效補償。為實現(xiàn)靈活控制，所有線圈采用獨立電源。此外，上、下PF7線圈各另配一快速電源，CS和PF線圈合計19套電源[12]。

CS線圈繞制在TF線圈中心柱組件上，CS線圈大電流少匝數(shù)，再采用兩組銅導(dǎo)體并繞、并聯(lián)運行，進一步降低其自感，增加電流的可控性。CS線圈每組內(nèi)外兩層共48匝，各自載流最大110 kA，并聯(lián)電流最大220 kA時產(chǎn)生極向磁通4.8 Wb，正負電流變化可提供9.6 Vs的伏秒驅(qū)動。放電時PF1-8也提供伏秒，使總伏秒大于14 Vs。

運行時PF線圈的引線穿過Bt，電磁力極大，因此引線結(jié)構(gòu)需確保能精確定位后被支撐結(jié)構(gòu)緊固。線圈匝數(shù)多者水回路長，因此除線圈端頭外需另布水冷回路的引入/引出口。PF1-4線圈半徑小、尺寸相對較小，該8個線圈整體纏繞固化為一桶形線圈體，安裝時整體套裝中心柱組件，再做精確支撐和固定。

PF線圈銅導(dǎo)體截面較大，繞制時所需驅(qū)動力較大且易于回彈形變；對誤差場要求極為苛刻，因此對銅導(dǎo)體的精確定位提出了極高要求；繞制中的導(dǎo)體焊接需確保機械和電導(dǎo)性能以及內(nèi)外表面的光潔；PF線圈對等離子體實施控制，自身電流響應(yīng)較快，線圈電壓較高，尤其是等離子體破裂時感應(yīng)出較高電壓，因此PF線圈的絕緣要求較高。

為滿足導(dǎo)體的導(dǎo)電率、力學(xué)、傳熱性能，TF和PF線圈的導(dǎo)體材料均為銅合金。PF線圈的安匝由伏秒需求、Ip驅(qū)動和等離子體平衡確定，匝數(shù)則盡量兼顧電路解耦、同規(guī)格導(dǎo)體、電流密度和焦耳溫升等因素。等離子體實驗中，線圈的主要載荷是電氣載荷、垂直和徑向電磁力以及焦耳熱引起的熱應(yīng)力。

(3)真空室[10]

真空室是等離子體的運行空間，外界通過真空室研究、控制等離子體。在結(jié)構(gòu)和平衡允許的情況下，容積應(yīng)盡量大以便容納內(nèi)部件和等離子體。真空室窗口數(shù)量及其運行的靈活性，確保等離子體可近和裝置實驗、運行的靈活性。在此原則下，工程上需解決烘烤時的溫度分布和熱應(yīng)力問題，以及實驗期間的熱、電磁、壓力等載荷，并同時承受內(nèi)部件及其載荷。

HL-2M裝置的真空室采用高鎳合金材料，以增加電阻率和機械強度。真空室本體“D”形截面，最大高度3.02 m，最大外直徑5.22 m，體積約42 m3，總重量約16 t，見圖2。雙曲面雙層金屬薄殼全焊接，每層5 mm厚度，層間縫隙20 mm，層間用加強筋板增加機械強度，同時兼顧層間的流體回路特性。烘烤時，層間流體回路通以熱氮氣，烘烤溫度達300 ℃。真空室外表面包裹絕熱材料阻止對外換熱。放電實驗時層間流體回路通水實施冷卻。

真空室共計20個環(huán)向扇段，為加工跨扇段的大窗口滿足NB束線的切向注入，20個扇段的結(jié)構(gòu)和加工不再均勻?qū)ΨQ。扇段焊接成環(huán)，整體環(huán)向電阻約145。等離子體擊穿時，真空室壁上感應(yīng)出環(huán)向渦流。

真空室具有位置、形狀各不相同的窗口共計130個。真空室主要的載荷是電磁力、熱應(yīng)力、大氣壓力和重力，內(nèi)壁附著所有內(nèi)部件，承受內(nèi)部件的熱、電磁力和重力載荷。真空室通過5個徑向耳軸支撐在中平面位置，耳軸置于PF線圈支撐，允許真空室的徑向位移。耳軸焊接至基座，基座再和真空室焊接。

HL-2M真空室真空運行在10-4～10-6Pa范圍，屬超高真空容器。該真空室制造難度較高，如材料、成形、焊接量、焊接難度、焊接形變、殘余應(yīng)力、精密加工等。真空室全焊接，夾層、窗口、支撐、流體回路及其出入口等之間的結(jié)構(gòu)各不相同，加之扇段結(jié)構(gòu)的不對稱均勻，使得焊接類型多、焊接量特別大，且夾層也是真空運行，真空要求特別高。真空室運抵現(xiàn)場后，進行尺寸檢測、真空檢漏，再外敷絕熱層以利烘烤，然后實施整體吊裝。

真空室位置是等離子體運行的基準，因此對其加工尺寸要求十分嚴格，對合金金屬薄殼全焊接的結(jié)構(gòu)件，具有極大挑戰(zhàn)；其次對安裝就位精度要求極高。真空室吊裝后，將裝置的工程基準遷移到真空室內(nèi)部，方便內(nèi)部件以及等離子體加熱、診斷、控制等設(shè)備的定位。真空室就位后，內(nèi)表面焊接螺柱用以支撐內(nèi)部件。

(4)支撐結(jié)構(gòu)[10]

支撐結(jié)構(gòu)用以支撐裝置整體以及各部件的電磁力、重力，降低熱應(yīng)力。部件載荷各不相同，需逐一分析開展結(jié)構(gòu)設(shè)計。HL-2M裝置的支撐系統(tǒng)分為重力支撐、PF線圈支撐和防扭支撐三個部分。裝置水泥基座上澆筑內(nèi)4外5共9根水泥支撐柱。內(nèi)側(cè)4根水泥柱固定連接不銹鋼圓環(huán)的重力支撐件，上敷絕緣后放置中心柱組件。外側(cè)5根水泥支撐柱允許一定水平位移以傳遞TF線圈的扭力?；椭沃乃娇辜魪姸认卣疠d荷。PF線圈支撐結(jié)構(gòu)是多維的剛性支架，真空室和PF線圈均支撐在該支架上。大環(huán)內(nèi)側(cè)PF1-4線圈和CS線圈之間用40根高強度的長螺桿拉緊成為支架的中心部分。支架承受不同位置的PF線圈和真空室的巨大的垂直電磁力，支架的垂向剛度和環(huán)向抗拉剛度予以確保。PF線圈焦耳熱和徑向電磁力的作用都驅(qū)使其半徑增加，因此實施限位，使其徑向滑動后回復(fù)原位。真空室、PF線圈及其支撐的凈重力通過TF線圈餅間縫隙傳遞到重力支撐環(huán)。

TF線圈承受的側(cè)向力使每匝(每餅)線圈有沿中平面發(fā)生傾覆的趨勢。設(shè)置防傾覆結(jié)構(gòu)，由上下水平支撐板以及兩板之間的斜拉鋼梁組成，見圖2和圖3。每餅TF線圈的側(cè)向位移剛性傳遞到上下水平板，水平板用斜拉梁鏈接，將傾覆力變?yōu)榉纼A覆結(jié)構(gòu)內(nèi)力。上下水平板具有較強的環(huán)向和徑向剛性，液壓機構(gòu)一端作用在每餅TF線圈外段的端頭，另一端作用在水平板上。TF線圈垂向剛度較大，垂直方向無支撐預(yù)緊。

圖3 HL-2M裝置的現(xiàn)場安裝Fig.3 On-site assembly of HL-2M

3 總結(jié)和展望

HL-2M裝置主機的輔助工程如土建等已經(jīng)完成，首期輔助系統(tǒng)，如診斷、控制、真空運行、器壁鍛煉、水冷、烘烤、微波輔助擊穿、電源等各系統(tǒng)均已完成研制，分別開展了離線調(diào)試，依照部件安裝進展穿插進行各自現(xiàn)場安裝。主機所有部件的安裝進入最后階段。子系統(tǒng)間的工程調(diào)試正在進行，視相互進展和關(guān)聯(lián)度，工程聯(lián)調(diào)陸續(xù)啟動?，F(xiàn)場的安裝施工見圖3。

由于采用了更先進的結(jié)構(gòu)與控制方式，提升運行實驗?zāi)芰?，HL-2M裝置等離子體體積為國內(nèi)現(xiàn)有裝置的2倍以上，等離子體電流從國內(nèi)現(xiàn)有裝置小于1兆安培提高到2.5以上，成為我國規(guī)模最大、參數(shù)最高、實驗條件最優(yōu)越的托卡馬克，進入到國際大托卡馬克的行列，為未來ITER和聚變堆物理研究提供必要的實驗平臺。后期逐步發(fā)展高效加熱和電流驅(qū)動系統(tǒng)，提高耦合效率，使離子溫度超過1億度，實現(xiàn)高參數(shù)堆芯級等離子體運行；在多種先進偏濾器位形下開展排熱和排灰相關(guān)的物理研究和實驗驗證。HL-2M將打造成為國際國內(nèi)重要聚變實驗研究平臺，研究解決聚變堆關(guān)鍵的科學(xué)和工程技術(shù)問題，培養(yǎng)人才，支撐我國聚變能源研究的發(fā)展，為自主設(shè)計建造聚變堆和牽頭大科學(xué)工程奠定基礎(chǔ)。

致謝

感謝受邀替團隊介紹HL-2M裝置主機研制，也謹代表團隊向關(guān)心支持本項目的人士致敬。