HL-2M装置中性束注入加热系统研制进展

为开展磁约束堆芯燃烧等离子体物理实验,正在建造的HL-2M装置拟建造3条5 MW的中性束注入加热束线。简要概述了HL-2M装置NBI加热系统的总体规划,第1条5MW-NBI加热束线的设计,离子源调试实验,注入器核心部件的安装和测试结果。通过调试,目前单个离子源引出束流达到36 A,加速电压75 kV,离子束功率达到2.4 MW,脉冲宽度3 s。通过测试发现:注入器的4条离子束汇聚角误差小于±0.1°,残留离子偏转磁体的磁场测试值与模拟计算值偏差小于±5%,注入器静态真空值达到1.0×10-3 Pa。注入器采用大型非标低温泵,低温泵的抽速达到2.40×106 L/s。第1条5MW-NBI加热束线的试装和测试结果表明,该束线能够满足HL-2M装置NBI加热的技术要求。     

HL-2M装置中性束离子源束光学红外成像实验研究

为了研究HL-2M装置中性束注入(NBI)加热用的80kV/45A/5s热阴极离子源束光学特性，采用红外电荷耦合元件(CCD)成像技术，测量离子源引出粒子束轰击量热靶板产生的温度分布，得到束功率密度空间分布区间特征参数1/e半宽度。在NBI热阴极离子源调试平台上，扫描离子源的放电和引出参数，利用CCD红外热像仪获得了对应参数下量热靶上的束功率密度分布。实验结果表明，HL-2M装置NBI加热系统80kV/45A离子源可用的导流系数范围为0.7~1.5μP。同样导流系数下，梯度电极与等离子体电极的分压比较高时，引出束流的半宽度较小。     

HL-2A装置中性束注入器钛吸附泵的设计

HL-2A装置NBI的设计参数为，注入气体为氢气、束能量60keY、束脉宽2s、两条束线切向注入、最终达到总的中性束注入功率4MW。目前，初步方案拟定为一条束线安装两个离子源，束线真空部分由一个主真空室和一个次真空室以及离子源真空室和漂移管道构成。     

HL-2M装置中性束离子源束光学红外成像实验研究

为了研究HL-2M装置中性束注入(NBI)加热用的80k V/45A/5s热阴极离子源束光学特性,采用红外电荷耦合元件(CCD)成像技术,测量离子源引出粒子束轰击量热靶板产生的温度分布,得到束功率密度空间分布区间特征参数1/e半宽度。在NBI热阴极离子源调试平台上,扫描离子源的放电和引出参数,利用CCD红外热像仪获得了对应参数下量热靶上的束功率密度分布。实验结果表明,HL-2M装置NBI加热系统80k V/45A离子源可用的导流系数范围为0.7~1.5?P。同样导流系数下,梯度电极与等离子体电极的分压比较高时,引出束流的半宽度较小。     

MW级中性束注入弧电源系统优化

中性束注入弧电源的性能严重影响弧放电的稳定性和中性束加热的效率。HL-2A装置弧电源采用基于晶闸管相控调压和12脉波不控整流的线性电源技术;HL-2M测试束线弧电源采用基于超级电容和IGBT全控整流的开关电源技术。为了优化电源系统性能、改进弧放电稳定性,研究了采样频率对弧放电稳定性的影响。通过对两套电源控制系统进行建模,利用MATLAB仿真了不同采样频率下HL-2M弧流电源控制系统的阶跃响应性能和HL-2A的控制系统性能,分析了采样频率对系统性能的影响。利用离子源测试平台进行不同采样频率下的弧放电实验对仿真结果进行验证,实验结果与仿真结果一致。实验结果验证:采样频率对弧放电稳定性有很大影响,在频率可调范围内,增大采样频率,可以提高控制系统性能,优化弧放电稳定性;HL-2A弧放电不稳定的原因是晶闸管导通特性和滤波电路引起的。     

HL-2M装置5 MW中性束加热束线离子源放电室研制

为了给HL-2M装置建设一条5 MW中性束加热束线,开展了中性束加热用热阴极弧放电离子源放电室的研制。这条中性束束线包含4套80 kV/45 A/5 s离子源,放电室的设计指标为850 A/5 s。首先采用CST软件中的电磁工作室对特定几何结构的放电室会切磁场进行了模拟计算,得到了会切磁场分布,验证了会切磁场布局的合理性。针对放电室加工工艺和实验过程中局部拉弧等问题,对放电室结构进行了不断改进。放电室侧壁由40列会切磁体改为7圈环形磁体,阴极灯丝结构从灯丝板结构最终改为陶瓷可伐结构,并且在放电室和加速器之间增加了陶瓷屏蔽。在阴极板结构放电室和阴极陶瓷可伐结构放电室内都获得了正常的弧放电。最终定型的放电室采用周边7圈环形会切磁体和陶瓷可伐结构。在定型的放电室内达到了5 MW中性束束线离子源弧放电的指标。弧放电时间接近5 s,最大弧放电电流达到1 000 A。     

EAST中性束注入控制系统设计

中性束注入(NBI)是磁约束核聚变装置等离子体加热和电流驱动的重要手段。依据东方超环(EAST)NBI实验运行特点,设计了基于网络通讯的集散式控制系统。NBI控制系统采用计算机网络技术,按照控制层次分为远程监控层、服务器控制层和现场控制层,三层控制结构易于系统功能扩展与设备升级。一条束线的两个离子源可以独立运行控制,这为EAST第二条束线控制扩展奠定基础。实验表明,NBI控制系统具备了远程监控、连锁保护和数据处理功能,满足了NBI实验运行的自动化和可视化的需求。     

HL-2M中性束低温泵管路的流阻计算

中性束注入是HL-2M装置最有效的辅助加热方式之一,而中性束低温泵是为了保证整个中性束系统能够工作在更好的状态。分别用解析计算和Flowmaster数值计算方法对HL-2M中性束低温泵管线的流阻进行了计算,并对两种计算结果进行了比较,为HL-2M低温系统的设计提供一定的依据。     

HL-2M装置5MW-NBI加热束线偏转磁体研制

根据HL-2M装置5MW-NBI加热束线总体设计参数、注入器的部件空间布局、几何汇聚特点等,建立了基于8饼线圈的注入器偏转磁体3D模型。利用电磁场模拟软件CST Studio详细模拟了注入器的偏转磁体产生的偏转磁场分布,不同成份离子束的偏转轨迹。在模拟分析结果的基础上优化了偏转磁体的物理结构,完成了磁体的工程设计、加工和测试。偏转磁体的磁场测试结果表明,测试值与CST计算值的偏差小于±5%,达到注入器偏转磁体设计要求。     

HL-2M 装置电子回旋共振加热高压电源系统的研制

为满足 HL-2M 装置电子回旋共振加热、低杂波电流驱动、中性束注入等二级加热系统的需要,设 计了多套基于脉冲步进技术的大功率高压电源,为速调管、回旋管及中性束、离子源等提供高压。重点针对一套 用于电子回旋系统的高压电源进行了分析。该高压电源设计了多副边绕组的高压隔离变压器、全固态高压调制器 和电源控制系统,并得出了适合本电源控制的控制算法,易于调整高压的输出幅值以及高压的上升下降时间。最 后给出实验结果,以验证电源的保护能力、电源控制算法的可操作性及实用性。试验证明,此套电源不仅满足对 负载的快速保护的要求,其电源工作的稳定度等其它参数也满足设计要求。      

HL-2M装置磁探针研制

介绍了 HL-2M 装置磁探针的研制,包括有效面积和极向布局的设计、骨架加工和探针绕制、有效面积和频率响应的标定以及定位安装。通过提高加工精度、有效面积的标定精度和定位安装精度,保证了磁探针系统的测量精度。目前,已经在 HL-2M 装置上完成了两组极向阵列的安装。     

HL-2M 真空紫外光谱初始诊断系统研制

基于 Seya-Namioka 结构 200mm 焦距可换光栅,研制了 HL-2M 真空紫外(VUV)光谱诊断光谱仪。该 系统在 300~3000Å 的真空紫外光谱范围具有较高的探测效率,时间分辨优于 1µs。经过结构设计、光谱标定和安 装调试,单通道 VUV 光谱仪已成功安装在 HL-2M 装置中平面窗口。在 HL-2M 装置初始放电实验中,利用该系 统测量到 C、O、N 等杂质的多条特征谱线,展现出优秀的信噪比和高灵敏度。      

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According to the design parameters of 5MW-NBI beam line of HL-2M tokamak, spatial arrangement of components, geometrical focus characters and so on, 3D model of the deflecting magnet with 8 groups of wires is built up. With an electromagnetic field simulation software-CST Studio, the deflection magnetic field distribution and deflection trajectories of ion beams with different components are obtained. With the simulation results the physical structure of deflecting magnet is optimized, the engineering design of the magnet is completed and then the manufacture and test are finished. The testing result of the magnetic field distribution of the deflecting magnet shows: the error between measurement value and calculation result is less than ±5%, and the machined deflecting magnet can meet the design requirement.     

Positive ion extraction from plasma source and its application in fusion research

Neutral Beam Injection (NBI) is well established technique for heating tokamak plasma and is used in all fusion research programs [1–2]. In our Steady state Superconducting Tokamak (SST) machine [3], neutral hydrogen beam power of 0.5 MW at 30 kV is required to raise plasma ion temperature of ∼1 keV. Future upgrade of the SST will require 1.7 MW of H^o at 55 kV. To fulfill this requirement, an ion extractor system (heart of any NBI system) has been designed to extract 35A H⁺ beam current at 30 kV and of 90 A at 55 kV respectively [4]. In this paper, we have described the physics and ion beam optics study for an ion extraction system suitable for above mentioned long dynamic range of acceleration voltage. The ion beam optics simulation result is used as an input to the engineering design. After fabrication, its performance test has been done. The experimental results are in very good agreement with beam optics simulation.     

HL-2M 装置中心螺旋管线圈结构和制造工艺概述

HL-2M 装置中心螺旋管(CS)线圈采用了 AB 两组交替缠绕、内外层轴向反向绕制的结构,AB 两组 引线对称引出。在中心螺旋管线圈制造过程中,开展了中空铜导线焊接工艺、绝缘包扎工艺、绕制工艺、内外层 跳线连接工艺、加热固化工艺等试验。研制的线圈满足对地主绝缘耐压 60kV、A/B 组匝间耐压 1kV 的设计要求。     

HL-2M 装置运行控制技术初步研究

重点介绍了 HL-2M 装置的运行技术和初步的等离子体控制实验结果,包括等离子体放电方案设计、 线圈电流控制、击穿阶段零场匹配和等离子体电流以及位移的控制。为了降低放电运行风险,HL-2M 装置初始放 电采用了简化的放电方案,通过整定 PID 参数实现了线圈电流控制,在击穿阶段获得了 10V 以上的环电压和较大 范围的零场区域,成功实现等离子体击穿。最后,投入了等离子体电流和水平位移反馈控制算法,成功将等离子 体放电脉宽提升至 200ms 以上,且维持 I_p≥100kA 的时间超过了 100ms,上述结果表明 HL-2M 装置运行控制技术 得到了初步的检验。