全超导托卡马克的运行风险和需要采取的对策

全超导托卡马克的运行风险和需要采取的对策
全超导托卡马克的定义：
不仅纵场磁体而且所有主要的极向场磁体均为超导磁体的托卡马克。

一风险
1常规托卡马克所有磁体系统在设计运行的参数范围内均是自安全的；
2所有超导托卡马克的超导磁体即使在其设计的运行参数范围内均会在某些运行条件下发生失超，如不加以保护，不能及时将磁体内储存的磁能泄放，超导磁体或与其相关联的某些重要部件将被烧毁；
3对于只有纵场是超导磁体的超导托卡马克：运行风险主要来源于超导纵场磁体系统失超。

引起失超的原因可以是：励磁电流过快、过大；制冷系统发生故障；磁体上局部地点温度升高；等离子体电流快速破裂；外杜瓦真空被破坏等等。

失超后的具体风险为：
3.1由于纵场是托卡马克上储能最大的磁体系统，因此，发生失超时如不
能及时进行失超保护，将会造成磁体系统或相关部件烧毁的严重事故；
3.2如果及时进行了失超保护，但泄放回路的时间常数太小，则会使泄放
时感生的电压过高而造成部件绝缘击穿，烧毁磁体或相关部件；
3.3纵场系统失超时在与之有最强耦合的真空室和内冷屏的极向方向上将
感应出电流，这一电流将与纵场作用产生小截面上的扩张力和大环的
收缩力，它是一个将造成真空室和内冷屏剧烈振动的冲击力；
3.4由于在托卡马克装置上极向场系统与纵场系统的磁耦合很弱，因此在
只有纵场是超导磁体的超导托卡马克上极向场的快速变化（包括等离
子体电流的破裂）只会对外杜瓦内的纵场磁体系统造成小的影响；
4对于全超导托卡马克：在外杜瓦内不仅有超导纵场磁体系统而且全部极向场超导磁体系统也在同一外杜瓦内，由此，除了具有上述纵场系统失超引发的同样风险外还具有更大的运行风险，它是来源于所有极向磁场系统（包括等离子体电流）的特殊运行要求和自身相互之间的强耦合，具体是：
4.1等离子体电流的建立必需极向场线圈系统提供极快速（击穿）和快速
（电流爬升）的磁通变化：
4.1.1在这一阶段，极向场线圈，特别是中心螺管线圈极容易发生失超；
4.1.2同时所有与之强耦合的，构成环向回路的金属部件上将会引发感应
电压或涡流，前者可以引发电弧，后者将引起部件发热和电动力；
4.1.3电弧将会破坏外杜瓦真空，并有可能像预电离一样在外杜瓦内引发
更大面积的放电，造成不可收拾的严重后果；
4.1.4涡流将引发冷质部件的发热，从而也有可能引发线圈失超；
4.1.5涡流引发的电动力将有可能破坏或逐渐破坏绝缘从而引发电弧
4.1.6所有与之强耦合的极向场线圈上（包括中心螺管线圈自身）将引发
感应高电压，如果任何地方绝缘薄弱或损坏，则一定会引发线圈及
其部件烧毁的严重事故；
4.1.7在极向场线圈上感应的高电压将一直传递到电流引线箱，如果在超
导电流传输线和电流引线箱内绝缘薄弱、损坏和真空度下降均会引
发起弧、放电和因此烧毁部件。

4.2许多原因可以引发等离子体电流的突然破裂，其影响将首先发生在真
空室上并将对内部部件的安全造成威胁。

虽然真空室将以其时间常数=
10~15 ms起屏蔽延时的作用，但它同样将会在所有真空室外与之强耦
合的极向场线圈或金属部件上感应环向高电压或涡流，从而，也将会
引发4.1.1 到4.1.7 的各种风险。

4.3相对于具有铁心极向场的托卡马克，EAST的极向场在空间上是发散而
不是集中在铁心内，因此，所有进入外杜瓦的电流引线（比只有纵场
是超导磁体超导托卡马克多得多），均会在快速变化的极向磁场中受到
冲击性的电动力，如果支撑这些引线的结构强度不够、不紧密，将会
在这些冲击力的作用下逐渐破坏引线的绝缘，最终使线圈短路，造成
在外杜瓦内烧毁线圈引线或线圈的最为严重的事故；
4.4在常规拖卡马克上不需要失超保护系统；在HT-7上有一个失超保护系
统；在EAST上有13个失超保护系统，因此对全超导托卡马克EAST
而言，所有极向场线圈失超保护系统（共12个）的联动、选择合适的
泄放回路时间常数以及与纵场失超保护系统相互干扰的消除将是需要
认真摸索和取得经验的重要事项。

否则失超保护系统的误动作或不动
作或过高的感应电压均将对EAST构成严重的运行风险。

4.5结论：全超导托卡马克（例如EAST）的运行风险将大大高于现有的任
何超导托卡马克的运行风险，因此必须在设计、加工、总装、调试、
运行的全过程中采取必要措施和极为认真的加以对待。

二可能和应该采取的措施
1保守的磁体绝缘设计
1.1纵场磁体（R0=1.70m）：
I op = 14.3 KA B T0 = 3.5 T T e= 4.2~4.5 K时具有足够的超导稳定性;
希望
I op = 16.4KA B T0 = 4.0 T T e= 3.8K时具有足够的超导稳定性;
工作电压：20 V
端电压：4000 V
1.2极向场超导磁体
I op = 14.5 KA B T0 = 3.5 T T e= 4.2~4.5 K时具有足够的超导稳定性;
最高工作电压：2400 V
端电压：10000 V
2总装和部件设计
2.1在外杜瓦内的每一个线圈系统的进出引线要在完成高质量的绝缘处理
后，尽可能靠近的成对捆绑在一起并牢固支撑；
2.2为在外杜瓦内消除一切可以引起电弧的潜在因素，要求外杜瓦内的一
切金属结构件（真空室，线圈盒，内外冷屏，冷却管路等）均应与外
杜瓦具有相同电位——一起接地
2.3在纵场线圈盒，内外冷屏上加开子午绝缘隔缝将环向涡流减至最小，
但按照2.2的原则每一绝缘单元均应在其‘后’端单点接地。

3运行模式
3.1外杜瓦和电流引线杜瓦的真空度必须达到要求：
P0≤ 1x10-5 Torr
否则绝对不容许放电，特别是对极向场线圈系统；
3.2对纵场磁体系统
3.2.1始终按最安全的模式来运行纵场：深冷，慢励磁，慢退出，避免、
至少尽可能减少系统的失超；
3.2.2纵场的金属结构部件不能构成由极向场系统或等离子体电流破裂
造成快速磁场变化时引发大的感应涡流的环向回路以避免由于造
成局部温度上升引发失超；
3.2.3一旦系统失超，失超保护系统必须灵敏、可靠，不能延时；
3.2.4泄放回路的时间常数必须大于最小限定值（它决定了最高感应电压
不得大于设计电压——对EAST V T max= 4000伏），；
3.2.5以不能烧毁纵场线圈任何部件为原则，应尽可能缓慢的泄放纵场内
的磁能（泄放回路的时间常数应适当大）
3.2.6泄放回路移能的容量要足够；
3.2.7真空室、特别是内冷屏自身及其支撑系统要有足够的强度能承受纵
场失超时的冲击力但首先要求纵场必须慢励磁，慢退出，避免、
至少尽可能减少系统失超；
3.3对极向场
3.3.1在没有封真空室的降温通电实验中不可以（不能）进行任何快速电
流升降的放电，更不能进行高或较高储能水平的的失超实验；
3.3.2由于任何极向场线圈的失超与其上工作电流的大小密切相关，因此
调试击穿电压和等离子体电流爬升实验时应尽量采用原边电流由
正到负的运行模式，而不要使用单边电流极大的运行模式；
3.3.3与所有现在运行的超导托卡马克不同，等离子体电流的快速破裂，
特别是等离子体电流达到很大数值的破裂是全超导托卡马克的最
大风险事件，在这一风险事件中几个最危险的因素几乎在同一时刻
发生：
✧最快速的极向磁通变化；
✧导致在极向线圈上最高的感应电压；
✧导致在环向金属部件上高的感应电压和环向涡流
✧因为存在纵场，因此导致最大的冲击电动力（在内冷屏上这个
力最危险）；
✧这一事件最容易在外杜瓦内引发泄漏、起弧、打火并由此引发
最严重的事故发生；
因此要用一切办法防止和减少等离子体电流的快速破裂并要认真研究引导等离子体电流软着陆的各种有效办法
三小结
1由于
1.1全超导托卡马克的全部主要极向场线圈均在外杜瓦内；
1.2极向场的工作电压远高于纵场磁体系统；
1.3在极向磁通（磁场）迅速变化（包括等离子体电流快速破裂和极向超
导线圈失超时的快速保护）时在外杜瓦内内不同部件上必将承受感应
高电压，涡流，冲击性的电动力的同时作用；
2如果
2.1外杜瓦内真空度不好；
2.2冲击性的电动力没有被牢固的支撑和吸收；
2.3任何一类绝缘薄弱和损坏；
2.4任何原因引发的打火、起弧
均将在外杜瓦内造成复杂的，相互影响的极快的正反馈过程，造成起弧、放电、烧毁重要部件和超导磁体的不可挽回的严重事故。

3因此必须
3.1外杜瓦和电流引线杜瓦的真空必须达到P0≤ 1x10-5 Torr 才能放电；
3.2线圈盒，内外冷屏，冷却管路必须有‘绝缘隔逢’，但必须接地；
3.3由于纵场磁体内部的真空室、内冷屏和纵场线圈盒自身均没有极向绝
缘隔缝，因此在运行时要尽量避免纵场磁体系统失超；
3.4所有失超保护系统必须灵敏、可靠，不得延时，不能互相干扰并要选
取合适的时间常数；
3.5运行时要尽量避免等离子体电流快速破裂；
3.6要在理论上研究任何一个极向场系统（包括等离子体电流）失超（破
裂）时所有极向场系统最安全退出的运行模式并予以执行；
3.7所有电流引线要成对出入，捆绑牢固，绝缘可靠；。