HL-2M 装置真空室设计

HL-2M 真空室结构为“D”形截面的双层-薄壁-全焊接式-环状结构,内环直径 2m,外环径 5.22m, 高 3.02m,由 20 个扇形段组成而成。真空室上开设有 121 个窗口以满足真空抽气、实验诊断、辅助加热及工程安 装等方面的要求;支撑采用滑动杆式结构;材料选用 Inconel625、Inconel718 与 316L 组合。运用有限元法对真空 室进行了结构强度评估,真空室满足设计要求。     

HL-2M 实验数据分析与实时显示系统的设计与实现

HL-2M 实验数据分析系统提供了强大的远程信号处理计算和信息检索功能,系统采用先进的多层架 构,实现了所获即所需的数据远程传输,具有局域网和广域网的广泛应用。实时显示系统基于负载均衡的任务划 分,将数据处理和显示划分为多个任务、部署在多台计算机上;系统跟炮运行,能够自动、高效实时处理上千道 信号,并在多个大屏幕实时显示几百道关键信号曲线。     

HL-2M 真空室保温层设计及安装

基于 HL-2M 真空室烘烤保温要求,通过有限元分析和原型件实验确定采用陶瓷纤维与纳米级微孔材 料组合作为 HL-2M 真空室保温材料。在 30℃时,保温层的导热系数小于 0.027W⋅m⁻¹·℃⁻¹;300℃时,导热系数 小于 0.038W⋅m⁻¹·℃⁻¹。在保温层厚度 25mm、热面温度 300℃且达到稳态时,冷面可控制在 85℃以下,线圈侧的 温度低于 60℃,整体热损失小于 12kW,满足 HL-2M 真空室烘烤需求。      

HL-2M 装置支撑结构工程设计

HL-2M 装置的支撑结构系统,该系统由装置基础及重力支撑结构、极向场线圈及真空室支撑结构 和环向场线圈防倾覆支撑结构等三部分组成。本文介绍了 HL-2M 装置支撑结构工程设计情况。      

HL-2M 装置真空系统调试运行

在装置初步建成阶段,有序地开展真空系统的调试内容梳理,制定合理的调试步骤和调试方案,有 利于装置各系统的功能确认和故障排除,高效地开展各系统协同运行,为 HL-2M 装置初始等离子体放电提供装 置辅助系统层面的放电条件准备。装置真空系统主要涉及超高真空抽气系统、器壁处理系统和送气加料系统等。 基于制定的联调目标,针对 HL-2M 装置真空相关系统开展了界面关系梳理、子系统调试方案制定、系统工程联 调步骤和方案的拟定等工作,通过联调完成了装置在真空获得、壁处理、加料等方面的条件准备,为初始放电提 供了基本保障。      

HL-2M 装置主机集成安装工程质量管理

基于 HL-2M 装置主机集成安装实践,以风险控制、过程管理为质量管理工作总体思路,对工程策 划、实施、验收环节进行全面质量管理。通过实施质量管理活动,确保了 HL-2M 装置主机集成安装工程达到质 量目标,并于 2020 年 12 月 4 日首次放电成功。通过本项目的实施积累了大科学工程的质量管理经验。     

Recent Experimental Results of HL-1M Tokamak and Progress of HL-2A Project

Recent experimental results of HL-1M tokamak and progress of HL-2A project are presented. Strong fishbone instability was observed during off-axis ECRH. This is first observation of the fishbone instability purely driven by energetic electrons produced by ECRH. The MBI was first proposed and demonstrated on HL-1M. Recently new results of MBI experiment were obtained by increasing the pressure of gas. A stair-shape density increment was obtained with high-pressure multi-pulse MBI just like the density evolution behavior during the multipellet injection. It is shown     

HL-2M 装置 CO2 色散干涉仪研制

研制了一套新型 CO₂ 激光色散干涉仪用于 HL-2M 装置初始放电期间的电子密度测量。该系统采用 基于激光倍频的色散测量原理,能够消除机械振动产生的相位误差。该系统使用全新的调相式信号调制,研发了 相应的数据采集/处理/上传系统。根据实验测量结果表明,CO₂ 激光色散干涉仪和微波干涉仪测量曲线基本一致, 色散干涉仪系统的测量精度约为 2×10¹⁷m⁻³,密度测量上限能达到 10²¹m⁻³。     

HL-2M 真空室制造工艺难点分析及优化

根据 HL-2M 真空室结构及运行工况,对 HL-2M 真空室制造过程的工艺难点进行了深入的分析。结 合前期试验段制造经验,优化了真空室制造工艺,细化了真空室产品的制造工艺方案。通过优化后工艺措施的实 施,提高了真空室的制造质量,并为后续磁约束聚变装置真空室的制造积累了大量的经验。     

HL-2M 支撑系统制造工艺研究

在 HL-2M 装置支撑组件的研制中,采用了特制控氮不锈钢、结合 GMS310 焊丝和 Ar(96%)+N2(4%) 保护气体的焊接工艺以及低速和大进给量的机加方式把磁导率控制在≤1.03 的设计范围内。为保障 HL-2M 装置装 配时线圈系统的精确定位和安装,在研制阶段对极向场线圈支撑子系统进行了预装。     

HL-2M 装置磁测量积分器设计

在核聚变实验中, 积分器是还原微分信号的基本手段,低漂移积分器系统的研制是托卡马克实验中 的重要环节。介绍了用于 HL-2M 装置磁测量的低漂移积分器系统。通过模拟与数字补偿相结合的方法减小漂移, 提高了信号间的测量精度。性能测试显示,积分器输出漂移小于 2mV/15s,积分时间常数精度优于 0.3%。该积分 器应用于 HL-2M 装置实验,满足磁测量系统的测量需要。     

HL-2M 装置软 X 射线阵列系统前置放大器设计

系统地介绍了 HL-2M 装置上软 X 射线阵列系统的工程概念设计、组成部分、关键工艺和技术研制 等。根据 HL-2M 装置的特点(如高温烘烤,真空室空间不足等),在该系统前置放大器设计中采用了很低的失调电 压和超低的偏置电流的高速宽带放大电路来降低暗电流和噪声,使得系统适用于较长距离传输的光电前置放大场 合,从而首次实现了前置放大器外置于真空室的安装布局。该放大器将大大增强整套软 X 射线阵列系统在高温烘 烤条件下的可靠性。      

HL-2M装置测量控制系统运行管理研究

以现有聚变实验工程管理运维经验为基础,根据HL-2M装置测量控制的新需求,参考ITER控制、数据采集及通讯规范,开展了HL-2M测量与控制系统运行和管理研究。通过对全域子系统进行统一配置及管理,架构高性能网络完成不同通讯任务,设计扩容高速物理数据存储系统,实施运行状态监测与报警等,规划建设了HL-2M集成化测控系统管理运行平台。这项研究立足于优化实验信号质量,实现实时信号高效传输,提高实验工程管理自动化水平,保障实验过程中设备与数据安全并具备较高可实施性。     

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介绍了HL-2M装置控制系统的静态架构、动态行为、控制理论以及模拟仿真。设计采用通讯网络将各控制子系统有机地连接起来,以实现各子系统的实时通讯和控制。等离子体放电控制系统将保证实验的各种参数达到预定要求,监控系统的故障处理机制可以减少各种实验异常对装置造成破坏,磁场控制系统的各种控制器则用来控制等离子体电流和位形,模拟仿真系统可以实现方便地验证控制器的目的。     

HL-2M 装置磁测量系统设计及初始放电实验结果

介绍了 HL-2M 装置上满足等离子体放电的磁测量系统的物理设计,主要包括磁探针、磁通环以及 电流测量系统的设计。通过 HL-2M 装置典型的放电位形参数对磁探针的极向布局、有效面积,磁通环的极向布 局以及测量等离子体电流的罗氏圈互感值进行了初步设计。目前,HL-2M 装置已经完成初始等离子体放电。各个 子系统均能达到其测量目标。      

HL-2M 装置初始放电安全联锁系统研制

为确保 HL-2M 装置能安全、稳定地进行初始等离子体放电实验,参考国际热核聚变实验堆(ITER) 的安全联锁设计,并结合 HL-2M 装置的实际现状,建立了一套基于可编程逻辑控制器(PLC)慢控制的中央安全联 锁系统。搭建了一套千兆光纤星形网用来满足各系统之间的通讯。中央安全联锁系统根据故障风险等级和预先设 定的故障处理机制,协调各子系统进行联锁保护动作。WINCC 监控画面显示各子系统的运行状态和故障信息。 采用 EPICS CA 协议和 S7nodave 驱动实现了软 IOC 读取 PLC 变量,并结合 C#编程实现了对主机大厅门禁访问系 统的控制,保障了人员和设备的安全。该套中央安全联锁系统已经投入使用,平均扫描周期 1~3ms,满足 HL-2M 装置初始等离子体放电的安全联锁保护需求。     

HL-2M 装置磁场电源逻辑保护系统

为了保障 HL-2M 装置磁场电源的供电安全,其逻辑保护系统设计了 4 级保护机制,分别在主机线 圈、电源变流器、整流变压器、交流开关柜设置保护检测器件,按保护等级确定逻辑保护策略。通过 HL-2M 装 置放电实验,验证了逻辑保护系统的可行性和稳定性。