核聚变磁约束托卡马克装置电源系统
季幼章
（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）


摘要：核聚变是人类利用核能的另一重要途径，近年来，开发聚变能的科学可行性在磁约束托卡马克装置上得到证实。HT-7U超导托卡马克是一个具有非园截面的大型超导托卡马克装置。纵场电源是一个大容量高稳定度全控整流电源，极向场电源满足建立等离子体和感应加热所要的磁通变化及波形要求，并实现了对等离子体电流、位移、形状和电流分布等的控制。
关键词：核聚变；等离子体；托卡马克；纵场电源；极向场电源

0 引 言
    聚变核反应是一种非常理想的潜在新能源，近年来，磁约束聚变在托卡马克类型的装置上取得了突破性的进展，从而开发聚变能的科学可行性终于在托卡马克上得到了证实。正因为此，一个国际热核聚变工程实验堆（ITER）正在进行工程设计，其聚变输出功率可达1500MW。
    HT-7U超导托卡马克是国家“九五”大科学工程， 它是一个具有非园截面的大型超导托卡马克装置。纵场电源是一个大容量高稳定度全控整电源，极向场电源满足建立等离子体和感应加热所要求的磁通变化及波形要求，并实现对等离子体电流、位移、形状和电流分布等的控制。
1 核聚变与等离子体
    质量数很小的两个适当的原子核在一定条件下重新组合成一个质量数较大的原子核，会释放出能量，这就是人类利用核能的另一重要途径即核聚变的理论依据[1]。
    1929年，有人提出太阳中产生能量的过程就是质子的聚变反应。这些反应能在温度高达15×106K的太阳中心发生。
1.1 聚变反应
    聚变反应所需的原料直接或间接地都是氘核（D）。单位质量的氘聚变所放出的能量是单位质量235U裂变所放出能量的4倍左右。这是聚变核反应作为一种潜在的新能源的突出优点之一。
    核反应是在原子核的热运动中发生的，所以称为热核反应，如果这种反应能够加以控制，则称为受控热核反应。计算得知温度达到108K-109K就可以发生聚变反应。
    要实现作为潜在能源的核聚变反应，只能通过高温等离子体的方法。在高温等离子体中氘核和电子处在几乎相同的高温状态中。而且，在等离子体中，氘核与电子作无规热运动，互相不断地碰撞着。因此，可以说高温等离子体物理学是核聚变的理论基础。
1.2 聚变能量得失相当的劳逊判据
    作为一种能源的核聚变反应堆，不仅要求等离子体的温度必须高到使离子能够克服彼此之间的库伦斥力而相互碰撞发生聚变反应，并且要求从等离子体发生聚变反应中释放的能量必须大于用以产生和维持高温等离子体所需的能量。
劳逊作了核聚变等离子体中的能量平衡计算，设等离子体的密度为n，加热到温度T，该高温等离子体
维持时间为τ。对于氘氘（D-T）反应，当等离子体温度为10keV时，实现能量收支平衡的nτ值是1020m-3s，
如果实验上达到了劳逊判据要求的参考值，那就证明了核聚变的科学可行性。当Ti=30 keV时，nτ大约为
1.5×1020m-3s，达到了热核点火条件。
2 磁约束托卡马克装置
2.1 磁约束概念
    核聚变等离子体温度极高，带电粒子的动能10 keV相当于温度108K(1eV=11600K)。磁约束就是利用磁场来将高温等离子体约束在一定的区域内（见图1），使之达到劳逊条件所要求的参数范围。
    磁场对等离子体的约束能力在于磁场与等离子体之间有相互作用力。这些作用力包括三个方面，即磁场对等离子体中每个带电粒子的“洛伦兹力”；以及由此对等离子体产生的宏观效果磁应力；当等离子体中有电流通过时，除外加磁场产生的作用力外，电流本身产生的磁场还会产生一种箍缩力。

2.2 托卡马克装置
    由环形方向通过大电流感应产生的极向磁场跟很强的纵向磁场结合起来，有可能建立等离子体的平衡位形。这就是后来建造托卡马克装置的基本思维。
    托卡马克装置的主体包括两大部分，就是磁场系统和真空系统。磁场系统包括纵场线圈和加热场的变压器。纵场线圈用来产生强大的纵向磁场，变压器用来感应产生等离子体电流。真空室一般由薄壁不锈钢制成，既要考虑到足够的机械强度，又要有足够的电阻值，还必须留有绝缘缝隙，保证磁场的渗透。抽气系统一般采用大抽速的涡轮分子泵，将真空室抽成10-6Pa以上的超高真空，满足等离子体对纯净环境的要求。托卡马克装置示意图(见图2)。
2.3 等离子体的产生
    托卡马克等离子体密度大约为1020m-3，这相当于比大气的密度小105 -106，因此真空室内的本底气压必须很低，要求真空度达到10-6Pa以上。在放电开始之前先充入工作气体（氘气或氘气），一般气压在10-3Pa---10-1 Pa之间。各个回路的放电有一定的顺序。先是纵场线圈回路放电，建立起纵向磁场。当纵向成场基本达到平顶时，加热场回路放电，也就是变压器的初级绕组加上电压，在等离子体上感应出环电压，在该电压作用下产生电流。为了便于工作气体击穿，必须采取预电离措施。
    等离子体电流是由环电压产生的，而环电压是由变压器初级线圈的磁通变化感应产生的。变压器中磁通变化在真空室感应产生一很大的环向等离子体电流。当电流开始在等离子体中流动时，电导率非常高的等离子体相当于变压器中仅有一匝的次级线圈。此环流对等离子体进行欧姆加热，同时这个电流自身产生θ方向的极向磁场Bp ，这个磁场与纵向磁场结合起来便形成具有旋转变换性质的螺旋形磁场，将等离子体约束在真空室内。
3 HU-7U超导托卡马克电源系统
    HT-7U是一个具有非园截面的大型超导托卡马克（见图3），科学目标是实现托卡马克的稳态运行，改善等离子体的约束，为未来托卡马克聚变反应堆奠定物理和工程技术基础[2，3]。
    HT-7U装置的总体参数：大半径R为1.7m，小半径a为0.4m，拉长（纵横）比K为1.6~2，纵场场强Bp 为3.5T（在R=1.7m处），最大磁通变化为10Vs,等离子体电流Ip为1MA,最大脉冲放电时间ta约为1000s。
    预期HT-7U可达到的主要等离子体参数范围： 能量约束时间为90ms~200ms，密度×温度为（20~50）×1019m-3keV。
3.1 纵场电源
    纵场电源是纵场磁体线圈的励磁电源， 它使HT-7U超导纵场线圈在等离子体中心产生稳定的、低波纹度最大为3.5T的纵向磁场，纵场电源为长期稳定的运行方式，电流大，电源需满足电流升降速度、终值电流可方便设定的要求。
    纵场电源参数：总储能378MJ，工作电流0~16kA，电流稳定度1×10-3，电流精确度5×10-3， 每对电流引线端电压为2000V。
    纵场电源采用两个移相30°带平衡电抗器的双反星形可控整流电路并联联结，得到12个脉动的直流电压输出， 降低了输出电压的纹波和电源系统注入电网的谐波电流（见图4）。每个双反星形可控整流器最大输出电流为10kA，两个双反星形晶闸管并联联结，简化了工艺，提高了可靠性。

3.2 极向场电源
    极向场电源由6套电源组成，分别向6对极向场磁体供电，在托卡马克的等离子体区域感应一个环向电压，使气体击穿产生等离子体。采用晶闸管快速开关结合电阻网络换流方式，来实现等离子体击穿所需的电压。极向场电源满足建立等离子体和感应加热所要求的磁通变化及波形要求，并实现对等离子体电流、位移、形状和电流分布的控制。
每个电源整流器由2台整流变压器、4台晶闸管整流器、限流电抗器、及其控制部分组成。电路结构如图5所示。变流器参数电压为1.57kV，电流为15kA。


3.3 谐波抑制和无功补偿
    由于HT-7U供电系统带有大量半导体整流器件， 谐波和无功功率较大，设置了谐波抑制和无功补偿装置。考虑到110kV接入点的短路容量为4000MVA，10kV母线的短路容量为445MVA，无功最大值约为30Mvar，在10kV母线上最大引起6%电压降落，影响接在母线上的用户， 将静止无功补偿设计成4组可投切并兼作滤波的补偿器，各基波补偿容量为2Mvar，4 Mvar，8 Mvar和16 Mvar。
4 结语
    小型托卡马克装置一般都采用高压脉冲电容器作供电电源，大中型托卡马克装置则往往采用大功率飞轮发电机组作电源。随着托卡马克装置规模扩大，几十到几百兆瓦功率则从高压电网经整流器供电，每个负载均对电源提出不同的要求，需要应用电力电子变流技术认真进行设计，进行模拟计算和实验，以期满足达到托卡马克装置的预期目标。


参考文献
1 朱士尧,核聚变原理.合肥:中国科学技术大学出版社,1992.
2 Weng Peide.Plasma Science & Technology,1999,1:1~6.
3 Liu Zhengzhi,Xu Jiazhi, Fu Peng,et al.Plasma Science & Technology,2000,2:529~535.