TOKAMAK装置与安全ppt.ppt

ASIPP Tokamak装置 张晓东 ASIPP 磁约束聚变实验装置 磁约束聚变实验装置是磁约束等离子体物理特性和聚变反应堆工程问 题的基础设备，其发展和变形与等离子体物理特性的深入研究相一致。磁 约束聚变实验装置是受控聚变研究中的一个重要方面。 安全、稳定、经济是受控聚变研究的最终目的。 磁约束聚变实验装置的发展：磁镜、Tokamak装置、仿星器装置， 目前最满意的实验装置： Tokamak装置和仿星器装置 Tokamak装置与仿星器装置有相类似的磁场位形：环向磁场、极向磁场 Tokamak装置：等离子体电流-极向磁场 仿星器装置： 外部线圈 -极向磁场 ASIPP 磁约束聚变实验装置 Tokamak装置： 普通装置：T-3、T-10、JET、DIII-D、JT-60U、ASDEX-U TCV、Alcator-C MOD、FT、TFTR 超导装置：Tore-Supra、HT-7、Tram-1、 EAST、KSTAR SST-1、JT-60SC 等离子体所： HT-6B、HT-6M、HT-7（T-7）、EAST 西南物理所： HL-1、HL-1M、HL-A（ASDEX） 仿星器装置： 普通装置：W7-A、W7-AS、CHS 超导装置：LHD、W7-X 实验结果显示： Tokamak装置比仿星器件装置的等离子体参数高 ASIPP Tokamak实验装置结构 Tokamak装置是目前最令人满意的磁约束聚变实验装置。 Tokamak实验装置：空芯、铁芯； 圆形截面、D形截面、B形截面； 限制器位形、偏滤器位形； 常规装置、超导装置； 球形装置； Tokamak装置结构：环形磁场磁体、欧姆变压器系统、极向磁场磁体 环形真空室、真空抽气系统、燃料供应系统 反馈控制系统 ASIPP Tokamak实验装置结构 空芯： ASDEX-U、 DIII-D、 JT-60U、 TFTR、HT-6M FTU、HT-7U、KSTAR 铁芯： JET、 TORE-SUPRA、TEXTER、HT-7 O形截面： TORE-SUPRA、ASDEX、 TEXTER、 TFTR、HT-7 D形截面： DIII-D、JT-60U、JET、ASDEX-U、EAST、 KSTAR B形截面： TCV 限制器位形： O形截面装置-ASDEX 偏滤器位形： D形截面装置+ASDEX 都可以完成限制器位形放电 高纵场装置：Alcator-C Mod、FTU Bt10 T 球形装置：R/a1 START、MAST ASIPP 常规Tokamak装置结构 常规Tokamak装置: 加热场线圈 极向场线圈 纵场线圈 ASIPP 常规Tokamak装置结构 常规Tokamak装置：D形截面 偏滤器位形 ASIPP 常规Tokamak装置结构 常规Tokamak装置：DIII-D的结构示意图 ASIPP 常规Tokamak装置结构 常规Tokamak装置：JET的结构示意图 ASIPP 常规Tokamak装置结构 常规Tokamak装置的一种变形：球马克 ASIPP 超导Tokamak装置结构 超导Tokamak装置： 部分超导（纵场线圈为 超导体） 电流引线 外真空室 ASIPP 环形磁场磁体 Tokamak装置中纵场线圈产生的环向磁场-约束高温等离子体 诊断、加热、电流驱动设备的空间要求：纵场线圈分段均匀分布 常规装置：常规导体线圈-空气冷却、水冷 超导装置： 超导体线圈-液氦冷却 环形纵场线圈分段均匀分布：内部靠近；外部分开。 Bt（R）Bo*Ro/R Bt基本随R线性变化 内側：high field side 外側: low field side 由于外側线圈分开： low field side 有较大的纵场波纹度 较大的纵场波纹度 - 较大 ripple loss 在low field side，对应纵场线圈的位置加装一种铁磁材料（ ferritic steel）来减小纵场波纹度。 ASIPP 欧姆变压器系统 Tokamak装置实际上是一个大型的变压器系统，原边线圈放置在中心 柱上，被称为加热场线圈主要用作为击穿燃料气体产生等离子体并为等离 子体提供欧姆加热；副边为真空室内产生等离子体的单匝环。 等离子体电流Ip与环电压Vp的乘积为欧姆加热功率。纯欧姆加热的等 离子体有一个温度上限值。 欧姆变压器：铁芯、空芯 由于铁芯材料的饱和磁场值不高，不能提供较大的可变磁通，而且过 多占用外部空间，现已不太使用铁芯变压器系统。 Tokamak装置中等离子体电流是单方向的，要求变压器系统的磁通也 是单方向。为了获得最大的可变磁通，通常放电前变压器系统先进行偏磁 设置，使放电持续时间更长。 = 2BmaxS ASIPP 欧姆变压器原理 ASIPP 极向场磁体系统 Tokamak装置中极向场磁体系统主要是用来进行等离子体位置和磁面 形状控制。 极向场磁体系统与欧姆变压器系统一样同属环形电流场，因此极向场 磁体系统在对等离子体位置进行控制时，会影响欧姆加热场，所以它们之 间存在一种相互影响的关系，也称之为偶合。 在放电控制中，我们希望等离子体电流和位置的控制是相互独立的， 互不影响。 解偶：硬件 软件 ASIPP 环形真空室 常规Tokamak装置：一个环形真空室 超导Tokamak装置：两层环形真空室，内、外真空室。其内真空室与 常规装置的环形真空室功能一样，充燃料气体和 产生等离子体。外真空室放置低温冷屏和低温超 导线圈。 Tokamak装置的真空室一般由无磁不锈钢制成，分绝缘隔断和整环两类。 HT-7、EAST为整环真空室， HT-6M为绝缘隔断型。 在欧姆放电时，整环真空室上会产生一定的感生电流，由真空室 的环电阻确定。 真空室不直接面对等离子体，表面需挂特殊材料制成的瓦片，并在某 些特定部位安置偏滤器或限制器。 由于对等离子体中杂质的限制，真空室的密封和内部材料的使用都有 严格的要求：真空度和残余气体成份。 放电前真空室的处理：检漏、烘烤和放电清洗。 ASIPP 真空抽气系统 Tokamak装置是一种特殊的实验装置，要求使用清洁干净的抽气系 统，一般使用渦轮分子泵、前级机械泵、低温泵和溅射离子泵。 泵的种类和抽速选择与装置真空室体积、所有部件表面积和管道尺寸 、走向有关。 装置运行时，主抽泵为低温泵、渦轮分子泵和前级机械泵。低温泵特 别对H2O有较大的抽速，同时也用来排除杂质和工作气体，当冷面接近饱 和时已没有抽速，必需再生。否则遇到气体冲击时，外层吸附的有害气体 可能释放出来对放电不利。 溅射离子泵也是一种吸附泵，在装置上作为真空维持泵使用，抗冲击 能力差，放电时必需关闭。 *内真空室： 10-5 Pa 超导Tokamak装置的外真空室一般只有真空度要求，真空越高，绝热 性能越好。主抽机组为：渦轮分子泵、罗茨泵和前级机械泵。 *外真空室：平时能抽至10-2 Pa，降温后 10-4 Pa 。 ASIPP 燃料供应系统 Tokamak装置： 1、gas puffing 2、pellet injection 3、超声速分子注入 Gas puffing 是常用的燃料气体补充方式，也最简单，利用调节压电 晶体阀的开启电压和持续时间控制进气量。燃料气体从等离子体外围扩散 进入，同时一部分气体会吸附在壁上，增大壁的再循环。 Pellet injection 是一种等离子体芯部燃料气体补充方式，设备复杂 ，通过调节注入冰丸的尺寸来控制燃料的进气量。由于是芯部燃料补充， 粒子约束性能好，将被大型实验装置采用。 超声速分子注入是介于gas puffing 和 pellet injection 之间的燃料气 体补充方式，比较简单，而且容易控制，喷孔离等离子体较近，主要沉积 在等离子体边缘区域。 ASIPP 反馈控制系统 反馈控制系统是Tokamak装置实现稳定放电不可缺少的控制系统，一 般要求的反应时间在10 ms。 目前反馈控制的参数： 等离子体电流 等离子体水平位置 等离子体垂直位置 等离子体密度 前面提到的偶合问题在等离子体参数反馈控制中，通过应用算法模型 ，使得等离子体电流和等离子体水平位置可相互独立调节（软件解偶）。 等离子体密度的反馈控制是以HCN的信号作为参考依据，对补充充气 的压电晶体阀实行脉宽调制。 ASIPP 超导Tokamak的失超保护 失超保护系统是保证超导Tokamak装置安全运行极其重要的设备，一 般为桥式检测电路，一旦超导线圈失超（quench），检测电路测到电压信 号，经过判断后实施保护操作，切断超导线圈供电，投入电阻，泄放出超 导线圈中的磁能。 多路检测 大小信号检测 泄放电阻 接地方式 减小干扰 基本原则：不能不保护，尽可能地减小误保护。 励磁过程中超导线圈稳定性检测。 计算机采集及失超信号判断 ASIPP 超导Tokamak的技术诊断 超导Tokamak装置的技术诊断系统主要是测量显示装置各部件的运 行状态，判断装置是否处在安全的运行状态中。 低温部件： 降温过场：降温速度以及各线圈降温速度的一致性 电路性能：各接点的接触电阻 超导状态：判断超导线圈是否进入超导态 超导线圈和氮屏温度的检测 失超线圈的检测 常温和高温部件 真空室各部分的壁温检测 第一壁温度的检测 ASIPP 超导Tokamak装置的运行 由于超导Tokamak装置结构的复杂性和特殊性，其安全运行模式和 要求也与常规装置有所区别。不同结构的超导Tokamak装置，其安全运行 模式也有差别。 内真空室真空度 外真空室真空度 真空室温度要求 降温和超导状态 励磁和磁体的稳定性 整环内真空室的电安全 外真空室的安全阀 电流引线段的真空度 回温与充气要求 ASIPP HT-7 装置 现场安全注意事项 ASIPP HT-7装置外壳16块 ASIPP HT-7装置内真空室 总电阻：2.4m 4个老三通段(包含外壳和窗口) 每个诊断窗口 ASIPP 安全注意事项 强电 弱电 水 辐射 危险品：放射源、易燃气体 安全操作规程 安全责任制 ASIPP 安全要求 仪器设备调试时的安全要求： 安全操作规程 检查电源、冷却水 现场标示 安全空间 特殊的安全措施 及时通知 平时设备运行维护 安全负责人 ASIPP 公用配电箱 常规电CG一般设备动力电、供电 CG总开关 隔离电GL特殊仪器用电 GL总开关 下部开关 专用设备 强电的检修和操作必须2人在现场 ASIPP 冷却水系统 使用者提出申请、装置负责人批准 专用冷却水系统 公用冷却水系统 接水冷系统:进、回水管路、压力、流量。 标记牌 实验前后及运行期间的检查 结束后必须关闭进、回水管路 个别系统单独调试需使用公用冷却水时必须提前申请 由装置负责人协调后批准 ASIPP 现场安全 极向场通电调试、感应烘烤:线圈接头 中心螺管线圈接头在装置上部 水平场、垂直场线圈接头在B段人孔和东铁芯柱之间 GDC:内真空室与电极 高压电极在B、D老三通下方 DNB