核聚变磁约束托卡马克装置电源系统

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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
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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。
 

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。
 

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。