EAST全超导托卡马克装置失超保护检测技术的现状及发展
EAST聚变装置长脉冲辐射监测及研究
㊀第43卷㊀第5期2023年㊀9月㊀辐㊀射㊀防㊀护Radiation㊀ProtectionVol.43㊀No.5㊀㊀Sep.2023㊃辐射防护监测㊃EAST 聚变装置长脉冲辐射监测及研究李成勋1,2,霍志鹏1,钟国强1,胡立群1(1.中国科学院合肥物质科学研究院,合肥230031;2.中国科学技术大学,合肥230026)㊀摘㊀要:EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak )全超导托卡马克核聚变实验装置主要利用氘氘为燃料进行等离子体聚变反应,聚变反应会释放大量中子与次级γ射线㊂为了能够准确掌握EAST 聚变装置在高参数长脉冲等离子体放电条件下辐射产物的空间分布信息,利用辐射在线监测系统实现对中子与γ射线的有效监测㊂按照防护需求在EAST 装置大厅内外共布置13个重点监测区域㊂监测系统硬件方面,辐射中子与γ射线测量分别采用基于BF 3正比计数管与氩气的电离室,通过双绞线与以太网的混合组网模式将监测数据传输到采集机,监测系统软件采用基于LabVIEW 的控制采集软件实现对中子与γ射线实时剂量率及累积剂量的采集与存储㊂监测结果表明,EAST 聚变装置在长脉冲高参数等离子体运行条件下,大厅内最大辐射剂量率迅速提高3个数量级以上,放电结束后又很快下降到接近辐射环境本底水平;大厅外由于屏蔽墙的防护作用,辐射剂量率始终保持接近辐射环境本底水平㊂利用辐射在线监测系统不仅可以有效获得放射性数据,而且为辐射安全防护管理提供了数据支撑,确保聚变能安全开发利用与人员安全㊂关键词:EAST ;中子;γ射线;辐射监测中图分类号:TL75+1文献标识码:A㊀㊀收稿日期:2022-10-12作者简介:李成勋(1994 ),男,2017年毕业于安徽理工大学自动化专业,现为中国科学技术大学科学岛分院控制工程专业在读硕士研究生㊂E -mail:chengxun.li@通信作者:霍志鹏㊂E -mail:zhipeng.huo@㊀㊀目前可控核聚变研究途径主要包括磁约束聚变与惯性约束聚变这两种[1]㊂经过长时间的探索,科学家发现利用磁约束实现可控核聚变是实验路径中最具有希望的一种,目前磁约束核聚变的研究主要集中在托卡马克装置上[2]㊂EAST(Experimental Advanced SuperconductingTokamak)托卡马克装置是由中科院等离子体物理研究所自主设计并建造的全超导托卡马克,又称为 东方超环 [3]㊂2021年12月30日,EAST 托卡马克装置成功实现电子温度近7000万ħ条件下1056s 长脉冲高参数等离子体运行㊂EAST 聚变装置采用脉冲放电模式,脉冲持续时间由毫秒至千秒级别不等㊂在放电运行期间,会释放大量放射性物质,其中以放射性中子和γ射线为重点关注对象之一㊂对于短脉冲而言,由于放电时间有限,释放出的辐射影响也相对较小㊂但2021年EAST 聚变装置创造长脉冲高参数等离子体运行记录,脉冲持续时间达到千秒之久㊂在这种运行条件下,会持续释放大量中子及次级γ射线,因此需要了解EAST 聚变装置在长脉冲高参数等离子体运行期间辐射场中子与γ射线的分布及强度,确保运行期间人员及环境的辐射安全㊂本文运用EAST 聚变装置辐射在线监测系统,实现对长脉冲高参数等离子体运行期间场所与环境中子与γ射线的实时监测与存储㊂通过对EAST 聚变装置辐射监测,不仅可以有效获得放射性数据,同时为辐射安全防护提供了数据支撑,保障聚变能安全开发利用㊂对后续实验顺利开展以及保护实验与工作人员都具有重要意义,同时也是对EAST 聚变装置辐射防护水平的一种验证[4]㊂1㊀辐射源项分析㊀㊀EAST 托卡马克装置主要进行氘氘等离子体聚变反应,核反应过程如下:D +D ң3He(0.82MeV)+n(2.45MeV)D +D ңT(1.01MeV)+p(3.02MeV)㊃154㊃㊀辐射防护第43卷㊀第5期㊀㊀氘氘聚变反应直接产生平均能量为2.45MeV 的中子,是聚变中子产生的最主要来源㊂EAST装置放射性来源主要包括以下方面:(1)中子来源包括D-D直接聚变反应产生中子㊁高能逃逸电子与次级高能硬X射线作用某种物质发生光致核反应产生光致中子两部分㊂(2)γ射线来源包括高能离子与装置第一壁和偏滤器等杂质核反应㊁中子与材料在输运时非弹性散射和辐射俘获㊁中子活化设备与材料产生放射性核素衰变等途径[5]㊂(3)EAST装置采用多种加热系统使聚变反应一直运行于高温与高压环境中,当采用中性束注入辅助加热系统时,该加热系统自身就是辐射源,在中性束出束运行期间会产生大量的韧致辐射㊁γ射线以及聚变中子[6]㊂为了降低电离辐射带来的影响,EAST装置建立了有效的屏蔽体结构㊂装置大厅屏蔽墙体长31m,宽28m,高23m,由钢筋混凝土建造而成㊂装置主机四周屏蔽墙的墙体厚度为1.5m,顶层也是钢筋混凝土结构,厚度达到1m,通道大门是注入水的屏蔽水门㊂通过核辐射监测系统实时监测,可以准确地获得不同监测点处的中子和γ射线剂量率,进而可以准确判断大厅外部不同监测点处的辐射屏蔽效果,以及时对薄弱处加强相应的屏蔽处理工作㊂在EAST装置周围环境中,利用移动式中子和γ射线探测设备对实验前的本底环境进行多次测量并取平均值㊂测量结果表明,EAST装置中子环境本底剂量率约为0.003μSv/h,γ射线环境本底剂量率约为0.1μSv/h㊂EAST装置等离子体放电期间,EAST大厅内部脉冲式辐射场中子和γ射线剂量率远远大于本底值,可直接用于EAST放电期间中子和γ射线辐射场的研究㊂大厅外由于绝大部分辐射被钢筋混凝土屏蔽墙屏蔽,仅有极少量辐射通过门缝㊁管道㊁天空反散射等到达外部环境,在EAST大厅外部也能测到放电产生中子和γ射线,但是剂量率较低㊂按照‘电离辐射防护与辐射源安全基本标准“(GB18871 2002)要求,放射性物质向环境排放量保持在排放管理限值以下可合理达到的尽量低水平㊂当前,EAST装置辐射在线监测系统对大厅内外边界辐射报警阈值均设为100μSv/h,当超过此阈值,及时报警以免工作人员误入强辐射环境中㊂聚变中子和γ射线是影响工作人员与环境安全的主要因素,是实现聚变能安全可控利用的一大难点,因此针对EAST聚变装置主要的运行工况和源项建立辐射在线监测系统十分必要[7]㊂2㊀监测系统的设计2.1㊀设计要求㊀㊀EAST周围环境中,每一次等离子体聚变反应放电产生的中子和γ射线的辐射场强度在EAST 大厅内外分布随着空间位置不同而有所不同,并且随着每一次等离子体聚变放电方式不同以及放电参数的不同在监测点的辐射场强度也表现出很大的不同㊂首先,针对大厅内外辐射场强度的差异,需要选择不同探测范围㊁时间响应及灵敏度的探测器,使探测器适用于不同场所的探测要求㊂其次,由于大厅屏蔽墙的屏蔽隔离作用,将大厅内外分成场所与环境区域㊂此时监测点布局既要满足EAST聚变装置放电期间重点监测区域全面覆盖,还要考虑监测点布局合理性,使辐射探测区域满足实验需求㊂接着,在线监测网络结构要相对简单,根据实际情况优化布线方式,要能实现监测数据的统一管理功能㊂通过采集机控制平台能够实现辐射监测数据实时剂量率及累积剂量的采集显示与存储,并且能够长期稳定运行㊂最后,对超过一定阈值的辐射剂量率能够及时准确报警,确保工作人员与周围环境安全[8]㊂2.2㊀探测器选型㊀㊀EAST聚变装置在放电时,大厅场所内中子与γ射线在较短时间内辐射剂量达到较高水平,而放电结束后又在较短时间衰减到低辐射剂量㊂因此大厅场所内需要选择能量响应动态范围宽且时间响应较快的探测器,而大厅外的低剂量的环境区域则选择灵敏度高且能够长期稳定运行的探测器[9]㊂鉴于EAST运行期间高参数㊁持续时间短的 脉冲式 的辐射监测,大厅内部采用高量程的探测器,测量范围0.1~100000μSv/h㊂大厅外辐射为本底水平,外部周围环境采用高灵敏度的探测器,测量范围0.01~10000μSv/h㊂2.2.1㊀中子探测器㊀㊀EAST聚变装置在D-D放电时产生大量中㊃254㊃李成勋等:EAST聚变装置长脉冲辐射监测及研究㊀子,此时大厅内要求中子探测器必须能够准确测量实验场所大厅内短时间且高剂量的中子通量,响应及时且漏计数低㊂为了达到这种探测要求,经过综合考虑,最终选择了ANM型号的BF3正比计数管(ϕ2.5cmˑ13.5cm)㊂探测器经过校准,标定后该探测器的主要技术指标:灵敏度为1.350 nSv/脉冲,测量范围为1~10000μSv/h,能量响应为0.025eV~17MeV,总不确定度小于15%㊂ANM型号的BF3正比计数管高度集成,电极收集输出电流脉冲信号经过前置放大器㊁运算放大器㊁脉冲甄别㊁脉冲成形等电子学处理后输出电压脉冲信号,再通过单片机进一步处理得到计数率和剂量率等辐射信息[10]㊂中子探测器工作电路结构图如图1所示㊂对于EAST聚变装置主机大厅外环境中子的探测,选择了ENM型号的BF3正比计数管㊀㊀㊀㊀㊀图1㊀中子探测器工作电路结构图Fig.1㊀Working circuit structurediagram of neutron detector(ϕ5.0cmˑ35.0cm)㊂标定后该探测器的主要技术指标:灵敏度为0.0133nSv/脉冲,测量范围为1.0ˑ10-3~300μSv/h,能量响应为0.025eV~5MeV,总不确定度小于11%㊂BF3正比计数管对中子辐射产生的脉冲幅度比γ辐射大得多,因此能有效区分中子与γ射线脉冲,对混合场中的辐射产物有很好的甄别能力[11]㊂探测器能量响应范围较宽且能在复杂恶劣的环境下长期稳定工作,被广泛应用于核聚变实验中㊂ANM与ENM型号中子探测器外观及内部结构图如图2所示㊂图2㊀ANM与ENM型号中子探测器外观及内部结构图Fig.2㊀Appearance and internal structure diagram of ANM and ENM neutron detectors2.2.2㊀γ射线探测器㊀㊀EAST聚变装置大厅内对高剂量γ辐射的探测选择了测量范围宽,时间响应快的AGM型号的圆柱形电离室㊂电离室内充有2MPa的氩气,该探测器内部由收集电极㊁高压电极以及保护环等共同组成[12]㊂圆柱形电离室原理示意图如图3所示㊂标定后该探测器的主要技术指标:灵敏度为0.291nSv/脉冲,测量范围为0.1~15000μSv/h,能量响应为50keV~3MeV,总不确定度小于10%㊂对于EAST聚变装置主机大厅外环境γ射线的探测,选择了灵敏度高,工作稳定性强的EGM 型号的球形电离室㊂电离室内充有2.5MPa的氩气,该探测器内部同样由收集电极㊁高压电极以及保护环等共同组成㊂其中,收集电极和高压电极分别由ϕ50mm的小球和ϕ250mm大球构成㊂球图3㊀圆柱形电离室原理示意图Fig.3㊀Schematic diagram of cylindrical ionization chamber形电离室原理示意图如图4所示㊂标定后该探测器的主要技术指标:灵敏度为0.135nSv/脉冲,测量范围为0.01~6000μSv/h,能量响应为50keV~3MeV,总不确定度小于7%㊂经过长期实验检验,该探测器能够很好地适应对EAST聚变装置γ辐射的探测㊂㊃354㊃㊀辐射防护第43卷㊀第5期图4㊀球形电离室原理示意图Fig.4㊀Schematic diagram of sphericalionization chamber 2.3㊀监测点布局㊀㊀EAST聚变装置辐射监测系统共设置13个固定监测点[13]㊂其中,大厅内3个监测点用于探测实验期间大厅内高辐射剂量信息,大厅外10个监测点用于探测大厅外低辐射剂量环境信息㊂每个监测点分别布设一个相邻的中子与γ探测器㊂EAST聚变装置监测点布局如图5所示㊂其中,黑点代表中子探测器,白点代表γ探测器㊂2.4㊀辐射监测网络㊀㊀EAST装置监测点探测器较为分散且距离相对较远,为了将13个监测点的辐射信息集成到统㊀㊀㊀㊀图5㊀EAST聚变装置监测点布局Fig.5㊀Monitoring point layout of EAST fusion device一控制平台上,设立了数据采集机㊂对于方便布线的探测器,采用RS-485串口通信的双绞线连接到采集机,直接利用双绞线通讯的监测点由采集点进行统一供电㊂对于远距离且布线困难的11㊁12和13三个监测点的探测器,利用等离子体所公共以太网进行通信㊂这三个监测点的六个探测器分别采用网口的方式来进行数据读取,采用C2000 N220二串口设备联网服务器㊂整个监测系统采用双绞线与以太网混合组网方式㊂使用RS-485和RS-232相互转换的MOXA-CP-118EL多串口㊀㊀㊀㊀㊀卡,连接到采集机的DB9接口,实现通信数据的传输[14]㊂EAST装置基于LabVIEW开发了中子与γ射线辐射在线监测采集软件,通过串口查询方式获取监测点中子与γ射线的辐射剂量㊂采集软件由数据请求㊁数据显示㊁数据保存等组成,能实现对辐射监测数据的采集㊁获取和存储等功能㊂采集软件的工作界面有实时剂量率㊁累积剂量率㊁报警阈值等数据,能直观获得13处监测点聚变中子㊁γ辐射的时间㊁空间分布信息㊂㊃454㊃李成勋等:EAST聚变装置长脉冲辐射监测及研究㊀3㊀辐射测量2021年12月30日,EAST托卡马克装置第106915炮放电,EAST装置放电时电流㊁环电压㊁电子密度波形图如图6所示㊂放电时等离子体电流为337.39kA,平均电子密度为1.87ˑ1019/m3,脉冲长度达到1056s㊂该装置成功实现电子温度近7000万ħ条件下1056s长脉冲高参数等离子体运行㊂整个实验过程中,辐射在线监测系统持续稳定工作,采集软件及采集电脑未出现死机㊁通信等故障,系统运行稳定性较高,准确获得了长脉冲放电过程的辐射监测数据㊂图7为EAST托卡马克装置大厅内三个监测点γ剂量率变化情况㊂由图7可以看出,长脉冲放电前大厅内三个监测点的γ剂量率在0.10μSv/h附近,放电前的γ剂量率接近环境本底水平㊂聚变装置内部等离子体快速发生聚变反应并释放大量辐射,此时γ剂量率短时间内迅速达到最大值㊂其中,监测点1㊁2和3最大剂量率分别为106.90μSv/h,75.23μSv/h,38.11μSv/h,与放电前接近环境本底水平相比,此时大厅内γ最大辐射剂量率提高3个数量级以上㊂随着放电继续进行,γ剂量率也快速下降达到相对平衡状态,此时监测点1㊁2和3剂量率分别在5.00μSv/h,1.10μSv/h,0.95μSv/h附近㊂当聚变装置连续放电1056s后,等离子体电流㊁环电压以及平均电子密度迅速降为0,此时脉冲放电结束㊂放电结束后,由于不再发生新的聚变反应,不再有新的辐射继续产生㊂此外,装置四周与顶层均采用大量屏蔽材料进行屏蔽吸收且高剂量率辐射维持时间较短,因此,γ剂量率经过一段时间又很快回到放电前0.10μSv/h低剂量辐射水平㊂长脉冲整个放电过程,大厅内三个监测点的γ剂量率波动变化趋势完全一致,差异的只是剂量率大小的不同,产生这种差异的原因是径向距离的不同㊂监测点1距离装置最近,其次是监测点2,最远的是监测点3㊂EAST聚变装置是整个电离辐射的最终来源,越靠近装置辐射强度越大㊂对于大厅内中子剂量率的监测选择了大厅内距离装置最近的监测点1和最远的监测点3进行对比,这两个监测点的中子剂量率如图8所示㊂长脉冲放电前中子剂量率处于较低水平,随着不断放电,中子剂量率也不断图6㊀EAST托卡马克装置第106915炮放电电流波形㊁环电压波形及电子密度波形图Fig.6㊀Waveform diagram of discharge current,Voltage waveform diagram of discharge ring and Waveform diagram of discharge electron density of No.106915thgun in EAST Tokamak device升高,监测点1和3最大剂量率分别达到24.53μSv/h和5.58μSv/h㊂与放电前环境本底水平相比,此时大厅内中子最大辐射剂量率提高3㊃554㊃㊀辐射防护第43卷㊀第5期图7㊀大厅内监测点1㊁2和3的γ剂量率变化情况Fig.7㊀Change ofγdose rate at monitoring point1,point2and point3in the hall个数量级以上㊂大厅内1和3监测点的中子剂量率波动变化趋势左右呈现对称性,放电结束后,中子剂量率也很快回到放电前水平㊂图8㊀大厅内监测点1和3中子剂量率变化情况Fig.8㊀Changes of neutron dose rate at monitoringpoints1and3in the hall为了获得EAST聚变装置大厅外部环境的辐射数据,选择了监测点7和监测点10的数据进行分析㊂图9为大厅外监测点7和10的γ剂量率变化情况㊂从图9可以看出,监测点10的γ剂量率要略高于监测点7,这是因为监测点10位于屏蔽门旁边,EAST聚变装置在长脉冲放电运行时少量γ射线透过屏蔽门进入外部环境中㊂整个放电过程监测点10最大剂量率是0.128μSv/h,γ剂量率仍然是较低水平,不会对外部环境造成影响㊂监测点7位于大厅外北墙,由于屏蔽墙的作用,辐射剂量一直处于极低水平,最大剂量率是0.119μSv/h,再次验证了屏蔽墙的屏蔽效果满足辐射防护要求㊂图9㊀大厅外监测点7和10的γ剂量率变化情况Fig.9㊀Changes inγdose rates at7and10monitoring points outside the hall㊃654㊃李成勋等:EAST 聚变装置长脉冲辐射监测及研究㊀图10为大厅外监测点7和10中子剂量率变化情况,可以看出监测点7和10最大剂量率分别达到0.00368μSv /h 和0.0026μSv /h㊂整个放电过程两个监测点的中子剂量率均处于极低水平,对外界环境辐射影响几乎可以忽略不计㊂通过数据分析可知,EAST 聚变装置辐射防护水平较高,完全能保证工作人员与环境辐射安全㊂图10㊀大厅外监测点7和10中子剂量率变化情况Fig.10㊀Changes in neutron dose rates at monitoringpoints 7and 10outside the hall4㊀结论㊀㊀本文基于辐射在线监测系统实现了对EAST 装置在长脉冲高参数等离子体运行条件下大厅内外区域中子和γ射线的有效监测㊂在硬件方面,根据装置大厅内外辐射强度与实际需求的不同分别选择了测量范围宽,时间响应快和灵敏度高,工作稳定性强的探测器㊂由于监测点距离远近和布线难易程度不同,辐射监测系统采用双绞线与以㊀㊀㊀㊀㊀太网混合组网方式㊂距离较近且布线简便的探测器直接采用双绞线组网连接,而远距离且布线困难的探测器采用C2000N220二串口设备联网服务器,通过以太网进行传输㊂辐射监测系统采用RS -485串口通信,通过MOXA -CP -118EL 多串口卡直接与采集机进行连接,实现对通信数据的传输㊂软件方面使用自行编写的LabVIEW 控制采集软件对13个固定监测点进行实时采集㊁显示以及数据存储[15]㊂EAST 装置在等离子体电流为337.39kA,平均电子密度为1.87ˑ1019/m 3长脉冲高参数等离子体运行条件下,大厅内的中子和γ射线辐射很快达到较高水平㊂以监测点1为例,该监测点中子和γ射线最大剂量率分别达到24.53μSv /h 和106.90μSv /h㊂与放电前环境本底水平(中子环境本底的剂量率约为0.003μSv /h,γ射线环境本底的剂量率约为0.1μSv /h)相比,中子和γ射线最大剂量率均迅速提高3个数量级以上㊂放电结束后又很快回到放电前的低剂量率水平㊂此外,大厅内监测点的辐射剂量率波动变化趋势大致一致,差异只是剂量率大小的不同㊂产生这种差异的原因是径向距离的不同,监测点距离主机装置越近,辐射剂量率越大㊂整个运行过程,大厅外部环境区域监测点7和10中子最大剂量率分别达到0.00368μSv /h 和0.0026μSv /h,γ射线最大剂量率分别达到0.119μSv /h 和0.128μSv /h,中子和γ射线电离辐射始终处于接近环境本底水平㊂通过对EAST 装置长脉冲高参数等离子体运行时辐射中子和γ射线监测,获得了宝贵的辐射原始数据,确保了整个实验过程中工作人员与周围环境辐射安全,保障了EAST 托卡马克聚变装置安全有效运行㊂参考文献:[1]㊀钟德俊.磁约束等离子体边界层里杂质辐射的研究[D].上海:东华大学,2015.ZHONG Dejun.Study of impurity radiation in edge layer of magnetic confined plasmas [D ].Shanghai:DonghuaUniversity,2015.[2]㊀张微,杜广,徐国飞.核聚变发电的研究现状与发展趋势[J].产业与科技论坛,2019,18(8):58-60.ZHANG Wei,DU Guang,XU Guofei.Research status and development trend of nuclear fusion power generation [J].Industrial and Science Tribune,2019,18(8):58-60.[3]㊀闫朝辉.EAST 托克马克往复式快动探针设计与分析[D].淮南:安徽理工大学,2014.YAN Chaohui.Design and analysis on EAST tokamak for fast reciprocating probe system [D].Huainan:Anhui Universityof Science and Technology,2014.㊃754㊃㊀辐射防护第43卷㊀第5期[4]㊀柴竹新,吴宜灿,刘伯学.核聚变装置EAST高可靠性辐射防护控制系统[J].核电子学与探测技术,2005,25(1):28-31.CHAI Zhuxin,WU Yican,LIU Boxue.High reliability radiation protection control system for fusion device EAST[J].Nuclear Electronics and Detection Technology,2005,25(1):28-31.[5]㊀周梦洁,胡立群,钟国强,等.EAST在不同加热模式下的辐射响应研究[J].核技术,2020,43(3):82-88.ZHOU Mengjie,HU 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2015,54(19):4836-4839.㊃854㊃李成勋等:EAST聚变装置长脉冲辐射监测及研究㊀Monitoring and research of long pulse radiation in EAST fusion device LI Chengxun1,2,HUO Zhipeng1,ZHONG Guoqiang1,HU Liqun1(1.Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei230031;2.University of Science and Technology of China,Hefei230026) Abstract:EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)conducts plasma fusion by deuterium and deuterium,which releases large amounts of neutrons and secondary gamma rays.In order to accurately understand the spatial distribution of radiation products in the EAST fusion device under the condition of high parameter long pulse plasma discharge,the radiation on-line monitoring system is used to realize the effective monitoring of neutron andγrays.According to protection requirements,13key monitoring areas are arranged inside and outside the EAST installation hall.In terms of monitoring system hardware,radiation neutrons andγrays are detected by ionization chamber based on BF3proportional counter tube and argon respectively,and monitoring data are transmitted to acquisition machine through twisted pair and Ethernet hybrid networking mode.The monitoring system software adopts the control acquisition software based on LabVIEW to collect and store the real-time dose rate and cumulative dose of neutron and gamma rays.The monitoring results show that the maximum radiation dose rate in the hall of the EAST fusion device rapidly increases by more than3orders of magnitude under the long pulse and high parameter plasma operation condition,and then drops to the radiation background level soon after the discharge.The radiation dose rate outside the hall is always kept close to the radiation background level due to the protective effect of the shielding wall.The online radiation monitoring system can not only effectively obtain radioactive data,but also provide data support for radiation safety protection management to ensure the safe development and utilization of fusion energy and personnel safety. Key words:EAST;neutron;γray;radiation monitoring㊃954㊃。
耀起东方——记世界上首个全超导托卡马克(EAST)东方超环装置
火”） 的托卡马克核 聚 变实验堆 ， 以便 对未 来聚 变示范 堆及 商用聚 变堆 的物 理和工程 问题做 深入探索。
核 聚 变 研 究 是 当 今 世 界 科 技 界 为 解 决 人 类 未 来 能 源 问 题 而 开 展 的 重 大
美、日、 欧３ 处， 并于１ ９ ８ ８ 年开始实验堆
子 能 委员会 （ １ ＡＥＡ） 之外 ， 总 部 分 设
聚 变反应 ． 随着各 国大小不一的托卡马 克装置 的建成 、 投入 运行和实验 ， 托卡 马克显示了较 为光 明的前景 ： 等 离子体 达 到了数百万度 ， 等离子体约 束也 获得
了 明显 效 果 。 科 学 家 们 认识 到 ， 如 果 扩
０ ５ ｋ ｅ Ｖ ， ｎ Ｔ＝ １ ０ 的１ ８ 次 方 ｍ一 ３ ． Ｓ ， 这 是
能： ｌ ； ＝ 的“ 摇 篮”
存 茫 茫 宇 宙 中不 过 沧 海 一 粟 的 普 通恒 星—— 太 阳 ， 对 于 整 个 太 阳 系 而 言 却 是 独 ～ 无 二 的 中心 天 体 在 它 的 内
秒稳 态长脉冲高约束等离子体运行， 创
造 了新 的 世界 纪 录 这一 里程 碑 式 的 重要 突 破 标 志 着 ， Ｅ Ａ Ｓ Ｔ 成 为世 界 上 第一 个 实现 稳 态 高约
束模 式运行 持续 时间达到 百秒量 级 的
托 卡 马克 核 聚 变实 验 装 置 ， 表 明我 国磁 约 束 聚 变 研 究 在 稳 态 运 行 的 物 理 和 工
受 控核 聚 变研 究的 重大 突 破 ， 在 国 际 上 立 刻 掀 起 了一 股 托 卡马 克 的 热 潮 ， 各 国 相 继 建 造 或 改 建 了一 批 大 型 托 卡 马
克 装 置
我国等离子体领域成就和专家
我国等离子体领域成就和专家1——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），有“人造太阳”之称，其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。
2006年9月28日，世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置首轮物理放电实验取得成功，标志着中国站在了世界核聚变研究的前端。
2016年2月，中国EAST物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。
2018年11月12日，从中科院合肥物质科学研究院获悉，EAST实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。
2021年5月28日，全超导托卡马克核聚变实验装置创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。
12月，全超导托卡马克核聚变实验装置度开机运行。
12月30日晚，全超导托卡马克核聚变实验装置实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
2023年4月12日21时，全超导托卡马克核聚变实验装置创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。
专家——吴征威在公共卫生健康领域，他将等离子体技术应用于消毒灭菌，开发出多款康复辅助产品，在解决环境安全、公共卫生、食品保鲜等疑难课题方面取得了显著成绩。
等离子体可以在短时间内杀灭各类细菌、真菌、霉菌等微生物。
利用这一技术，能够高效的形成相对洁净的空间，根据需求快速部署，尤其在自然灾害或重大伤亡事故发生时，此类装备能够在帐篷、车辆、建筑内迅速建立起初级卫生防疫系统。
他主持开发的“便携式等离子体杀菌装置”已形成样机，有望成为一种替代性的物理除菌方法。
此外，他与同事们一起利用等离子体技术对传统的骨科材料进行处理，获得了更安全、生物相容性更好、具有部分自清洁功能的生物医学材料。
失超检测方法 EAST
数据采集卡 选用ADLink公司的PCI-9118多功能数据采 集卡，其主要参数： 32位PCI总线 12位A/D分辨率 采样率最高333 KHZ 16路单端或8路差分输入 三种 Ａ／Ｄ 触发源： 软件触发、可编程 定时器触发与外部脉冲触发
技术路线（二）
使用Microsoft Visual C++ 6.0编程软件，采用Windows多线 程技术，对采集过程单独开辟一线程，以保证采集的正确性， 数据保存在SQL Server 2005数据库。
研究内容、目标和方案
失超信号实时采集和数据显示 隔离放大器自动测试系统
工作计划安排
研究背景及意义
EAST失超检测系统共有84路失超保护信号 PF26路+TF32路+PF高温电流引线24路+TF高温电流引线2路
研究背景及意义
EAST上的失超检测系统已逐步建立和完善 起来！
本课题针对高温超导电流引线的失超检测 系统的研究，完善现有失超检测系统的功 能！
操作方便；
能实现连续、高精度的信号采集； 能根据用户要求灵活设置采样参数及阈值参数； 失超信号实时显示； 失超判别； 失超报警：分低级报警和高级报警； 数据存储； 查询功能；
研究方案
选择基于采集卡与PC机的数据采集系统，采用PCI总线传 输数据，可以大大提高数据采集率，在计算机上实现数据 显示及处理功能。
PLC自动测试框图 PLC测试原理
隔离放大器自动测试系统
PLC自动测试上位机界面图
报告内容
研究背景及意义
国内外失超检测的方法
EAST全超导托卡马克装置清洗及涂覆壁处理技术发展与应用
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟EAST 全超导托卡马克装置清洗及涂覆壁处理技术发展与应用在托卡马克装置中，壁处理技术是提高高温等离子体性能的一个关键手段，主要用于抑制等离子体杂质，降低粒子边界再循环，控制氢同位素比例，提高等离子体品质，保证高参数、长脉冲等离子体运行。
从2006 年EAST 全超导托卡马克装置建成并开始运行以来，发展了不同先进壁处理技术，为等离子体提供了良好的器壁环境，为EAST 装置取得的系列进展创造了基本条件。
这些壁处理技术主要包括器壁清洗技术（烘烤、如磁场不兼容的直流辉光放电清洗、能在强磁场环境中工作的离子回旋放电清洗等），以及硼化、硅化、锂化涂覆壁处理技术。
在全碳壁条件下，通过长时间烘烤（250oC）和直流辉光放电清洗，EAST 装置等离子体放电真空室真空可以达到2x10-6Pa。
利用离子回旋放电清洗可以在强磁场条件下工作的特点，放电间隙离子回旋清洗可以快速清除滞留在器壁的氢同位素，改善粒子再循环。
由于同位素交换，采用氘离子回旋清洗更有利于清除器壁中氢，降低氢在等离子体中比例。
氧化壁处理可以有效清除碳-氘在器壁的沉积层，释放氢同位素，是未来聚变装置清除T 的主要潜在手段。
2006 年EAST 装置建成运行后，利用直流辉光放电或者离子回旋放电，对面对等离子体的器壁表面涂覆一种适合等离子体放电的几百纳米薄膜，如硼化（C2B10H12+He/D2）、硅化（10%SiH4,SiD4+90%He）壁处理。
实验证明硼化可以有效降低等离子体中杂质水平，提高等离子体参数。
然而，由于所使用的材料富含氢同位素，硼化、硅化壁处理后等离子体边界再循环较高，并且等离子体中氢的含量难以降低到25%以下，限。
EAST超导托卡马克接地系统--设计、构建、现状与问题ppt.ppt
（1） 以各实验大厅建筑物基础中的钢筋作为自然接地体，以及建筑物周 围敷设的补充接地体构成各大厅的接地装置。
（2） 各实验大厅内应敷设均压网。均压网应以最严重的接地故障态，按 跨步电势和接触电势进行校核。均压网与接地装置相连，构成各大厅的分 接地网，并在适当位置设立一个，也仅仅设立一个接地端纽。
•各接地母线互相绝缘，各自独立，不得混用，不得形成回路。唯一的例外 是，保安接地与等电位连接G4，通过预埋的接地连接带与接地网作多点连 接（焊接）。形成一个与地网多点相连的环形等电位连接带（网状）。 •除保安接地与等电位连接G4外，各接地母线均引自各实验大厅内分接地网 的接地端纽，且只能有此一点与地网相连（一点接地原则）。各接地母线 采用绝缘支承，互相绝缘并对墙壁绝缘，各自不构成回路。接地母排上设 置若干分接地端纽，以接地支线引向各接地对象－－其布局类似于一树形 结构，如图三所示。
EAST 接地系统
接地系统设计的主要目的与基本内容
系统设计的基础与依据：
•应用接地设计的基本原理， •参考建筑、电力、通讯等系统现有有关接地设计的技术规程和技术标准 （GB国标，及IEC标准等）， •根据接地设计的工程实践及其最新进展， •根据托卡马克装置的结构和运行的特点，以及各分系统的具体要求， •参照国内外同类装置接地设计的经验， •结合本所有关设施的历史与现状，
6、 防止并保护雷击和各种故障时的反击过电压，特别要注意对外界电磁干 扰极其敏感的、对雷电等电磁脉冲和过电压耐受能力很低的电子设备的防护
EAST 接地系统
EAST接地系统构成
接地装置 接地网 接地端纽 接地母线 接地对象 防雷装置 低压配电
EAST 接地系统
实验建筑地网平面图
EAST 接地系统
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。
EAST超导磁体失超保护有关问题
•（各）系统故障态的分析、评估及整个 装置故障态分析的综合 •故障保护的分级、设计与后备 •故障保护本身可靠性的分析、评估与论 证 (包括试验)
EAST 电源系统故障态分析与保护
特点
电源系统（TF,PF,FC,AH/CD，HF&RPC） •装置中与运行安全关系最为密切的分系统，应该是 各电源及其负载磁体（ AH/CD 天线），以及磁体的 冷却、支承与绝缘。
EAST 电源系统故障态分析与保护
故障诊断与保护程序
故障诊断与保护程序：
实时监测——故障诊断与分类——保 护分级——保护逻辑、控制与连锁— —保护驱动（硬件保护与软件保护） ——后备保护
Eቤተ መጻሕፍቲ ባይዱST 电源系统故障态分析与保护
故障分类
故障分类： •不同运行模式（位形、参数），运行区间， 运行状态（稳态、暂态） ——穷追穷举 —— 暂态过程应考虑系统分布（杂散）参数与波 过程 •孤立故障（单点），关联故障（继发），双 重故障（同时），多重故障——几率递减， 危害性递增——最易发故障与最严重故障
EAST 电源系统故障态分析与保护
快控电源
快控电源： 将依据快控线圈设计参数、结构参数、接地设计、 运行模式、与等离子体的耦合等，与杜世俊密切合 作，按上述考虑进行故障分析与保护设计，并纳入 装置总体故障保护程序。
. . .
EAST 电源系统故障态分析与保护
. . .
•特点：高压、强流，高功率，高储能，强耦合，复 杂性（多因素：真空、低温、结构、接地），重要 性（故障的牵涉面广、危害性大，其保护是最直接 的、最频繁动作的、往往是最终的保护手段）
EAST 电源系统故障态分析与保护
电源系统构成与故障分类
初级电源——变流电源 ——超导磁体——装置及等离子 体 •初级电源：高压电网与变电站，低压配电，备用电源 ，不间断电源——供电安全性——较为成熟，安全性较 高 •变流电源（ AH/CD高压电源） ：过压、过流、过热、失 控（开关、控制）——电源本身可靠性 ——较为成熟， 安全性较高 •负载磁体 （ AH/CD天线） ：失超，短路（内部短路、端 部短路、对地短路），引线故障（短路、开路） ——磁 体本身及失超保护的可靠性——要求很高，经验不多， 风险较大
我国超导托卡马克的现状及发展
学科发展ＤｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ我国超导托卡马克的现状及发展＊李建刚（中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所合肥２３００３１）关键词磁约束聚变，超导，托卡马克＊收稿日期：２００７年９月１日摘要一个经济实用的商用堆必须是高效、紧凑和稳态运行的。
未来商用堆必须是全超导，才能实现稳态运行。
我国超导托卡马克研究始于１９９１年，在将原苏联Ｔ７超导托卡马克改成ＨＴ－７后并在其上做了许多有意义的工作。
１９９７年开始全超导托卡马克ＥＡＳＴ计划，２００６年建成并投入运行。
未来将在长脉冲条件下进行高参数等离子物理实验，为未来稳态、先进聚变实验反应堆奠定良好的工程技术和物理基础。
１引言热核聚变能是轻核聚变所释放的能量。
地球上最容易实现的聚变反应是氘氚反应：Ｄ（氘）＋Ｔ（氚）→!（氦－４）＋ｎ（中子）＋１７．６ＭｅＶ能量其中，中子携带１４．１ＭｅＶ能量，!粒子带３．５ＭｅＶ能量。
在１吨海水中氘约含４０克、锂约０．１５克，中子照射锂－６可造氚。
这样，浩瀚的大海可为人类提供聚变能源至少几十亿年。
同时氘氚反应过程不产生放射性，即使１４．１ＭｅＶ中子辐照到物质上所产生的放射性也是短寿命的。
特殊设计的氘氚反应堆还可以使裂变堆中产生的长寿命高放射性物质得到“嬗变”，或者使铀２３８或钍２３２增殖为钚２３９或铀２３３，从而使储量丰富的上述裂变材料得到充分利用。
可以说，聚变能是无污染、无放射性核废料、资源无限的理想能源，是目前认识到的可以最终解决人类能源和环境问题的最重要的途径之一。
磁约束聚变是利用强磁场这一“磁容器”来约束高温等离子体，并进而将其加热至上亿度，从而维持连续的热核反应，并将其巨大的能量转化为电能。
受控核聚变研究在经济等方面有着巨大潜力，因此各核大国每年投入研究经费都达数亿美元。
２０世纪５０年代初期，前苏联科学家提出托卡马克的概念。
托卡马克（ＴＯＫＡＭＡＫ）在俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词组合而成，依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场，将极高温等离子体状态的聚变物质约束在环形容器里，以此来实现聚变反应。
托卡马克装置的工程挑战与解决方案
托卡马克装置的工程挑战与解决方案托卡马克装置作为目前最先进的核聚变实验装置之一，为实现可持续的清洁能源提供了重要的技术保障。
然而，要将托卡马克实现商业化应用，还存在着许多工程挑战需要克服。
本文将探讨托卡马克装置的工程挑战以及解决方案。
首先，一个关键问题是如何维持完全等离子束稳定。
等离子体物理性质复杂，容易受到扰动而产生破裂或不稳定现象。
为了解决这个问题，科学家们采取了多种方法。
一种方法是通过引入外加磁场来抑制等离子体的不稳定性。
这样的磁场可以通过构建复杂的磁场装置实现，确保等离子体在托卡马克装置中保持稳定。
其次，高温等离子体对材料具有极高的腐蚀性，这给托卡马克装置的材料选择带来了挑战。
目前，科学家们正在研究和开发新型材料，以抵御高温等离子体对装置的破坏。
一种解决方案是使用高温耐腐蚀合金，如钨合金和铬合金。
这些材料在高温下仍能保持稳定，有效延长了装置的使用寿命。
此外，托卡马克装置需要巨大的能量输入才能维持等离子束的稳定。
然而，能量供应和稳定性之间的平衡也是一个挑战。
一方面，过多的能量输入会导致等离子体过热，破坏装置；另一方面，能量供应不足则无法维持等离子束的稳定。
为了解决这一问题，科学家们正在研究更高效的能源转换和供应技术，以确保能够满足装置的需求并保持等离子束的稳定。
最后，托卡马克装置的规模也是一个工程挑战。
现有的实验装置规模较小，无法实现商业化应用所需的大规模能源输出。
为了解决这个问题，科学家们正在研究和设计更大型的托卡马克装置。
这包括设计更高功率的磁体和更大尺寸的等离子室，以提高装置的能量产出和可持续性。
总之，托卡马克装置作为核聚变能源的重要技术之一，面临着诸多工程挑战。
通过引入外加磁场、使用高温耐蚀合金、研究高效能源转换技术和设计更大型的装置等解决方案，可以逐步克服这些挑战。
相信随着科学技术的不断发展，托卡马克装置将会在实现核聚变能源商业化应用的道路上迈出更大的步伐，为人类提供清洁、可持续的能源解决方案。
关于全超导托卡马克核聚变实验装置的学术成果
一、简介全超导托卡马克核聚变实验装置是我国科学院物理研究所研制的一种核聚变实验装置，其目标是在高温等离子体物理、核聚变等领域取得突破性进展。
该实验装置采用全超导技术，具有很高的磁场强度和稳定性，是我国目前最先进的托卡马克核聚变实验装置之一。
二、研究背景核聚变是一种理想的清洁能源来源，其在太阳等恒星中起着至关重要的作用。
人类长期以来一直在努力实现人工核聚变反应，并期望将其应用于能源生产中。
全超导托卡马克核聚变实验装置的研究即有助于推进人类对核聚变的理解，并进一步加快清洁能源领域的发展。
三、研究目标全超导托卡马克核聚变实验装置的研究目标包括：1. 建立高温等离子体物理的基础理论和实验技术2. 探索核聚变等离子体的控制和稳定化技术3. 进一步研究超导磁体技术在核聚变领域的应用四、科研成果通过全超导托卡马克核聚变实验装置的研究，科研团队已取得多项重要成果，包括但不限于：1. 独特的核聚变等离子体物理性质模拟研究，揭示了高温等离子体的行为规律和特性。
2. 高温等离子体控制技术研究，实现了对核聚变等离子体的精确控制，为其稳定运行奠定了基础。
3. 超导磁体技术在核聚变领域的应用探索，研究团队在磁场强度和稳定性方面取得重要突破，为实现核聚变反应提供了重要支持。
五、学术贡献全超导托卡马克核聚变实验装置的研究成果对核聚变领域具有重要的学术贡献：1. 对高温等离子体物理的深入理解，为核聚变理论研究提供了重要实验数据和现象验证。
2. 创新的等离子体控制技术，为核聚变实际应用提供了技术支撑和可行性验证。
3. 超导磁体技术在核聚变领域的应用实践，为超导技术在能源领域的广泛应用奠定了技术基础。
六、展望全超导托卡马克核聚变实验装置的研究成果为核聚变领域的进一步发展提供了重要参考和支持。
未来，研究团队将继续深入研究高温等离子体物理、核聚变等领域，不断取得新的突破和进展，为人类的清洁能源梦想贡献力量。
七、结语全超导托卡马克核聚变实验装置的研究成果，不仅在学术上具有重要意义，同时也为解决能源问题、改善生态环境提供了重要支持。
EAST全超导托卡马克装置
EAST全超导托卡马克装置
蔡其敏
【期刊名称】《自然科学博物馆研究》
【年(卷),期】2024()2
【摘要】EAST全超导托卡马克装置坐落于安徽省合肥市的科学岛,是我国自主设计、研制并拥有完全知识产权的国际首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置,有“人造太阳”之称。
EAST由Experimental(实验)Advanced(先进)、Superconducting(超导)、Tokamak(托卡马克)这4个英文词首字母拼写而成。
【总页数】1页(PF0002)
【作者】蔡其敏
【作者单位】聚变创新展览馆
【正文语种】中文
【中图分类】TL6
【相关文献】
1.耀起东方——记世界上首个全超导托卡马克(EAST)东方超环装置
2.全超导托卡马克装置(EAST)的技术诊断系统
3.EAST全超导托卡马克装置失超保护检测技术的现状及发展
4.全超导托卡马克装置(EAST)充气成像系统光学设计
5.EAST超导托卡马克装置中的大型超导磁体技术
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托卡马克研究现状 杨进 20104380133概要
• “EAST超导托卡马克核聚变实验装置”包括一个具有非圆 小截面的大型超导托卡马克EAST实验装置和低温系统、 真空系统、电源系统、控制与数据采集系统、波加热系统、 波驱动电流系统、诊断系统以及公共基础设施等重要子系 统。EAST超导托卡马克实验装置是本项重大科学工程的 核心。EAST装置主机的主要特点是：EAST装置的极向场 和纵场采用了超导磁体，以提供稳态的等离子体约束，成 形和平衡所需的稳定磁场；为实现大的拉长比和三角形变 及开展各种高约束模式的实验研究的要求，EAST装置设 计有独特的非圆截面真空室和超导纵场磁体；在EAST装 置真空室内设置有主动冷却的偏滤器、限制器、被动补偿 板、快速反馈线圈等内部部件，可深入开展在极长脉冲及 稳态条件下的先进运行模式的研究。
HT-7实验的成功，使HT-7装置成为世界上第二个全面开 放的、可进行高参数稳态条件下等离子体物理研究的公共 实验平台。
• 一个经济实用的商用堆必须是高效、紧凑和稳态运行的。 全超导托卡马克可实现稳态运行，并通过在稳态运行条件 下大大改善约束，为未来稳态、先进聚变反应堆奠定工程 技术和物理基础。未来商用堆必须是全超导，才能实现稳 态运行。上世纪末，由于其工程难度及风险极大，世界上 尚无建造全超导托卡马克的先例。国家大科学工程项目 “EAST(原名HT- 7U)超导托卡马克核聚变实验装置”的 科学目标正是针对目前建造托卡马克核聚变堆尚存在的前 沿性物理问题，进行探索性的实验研究，为未来稳态、安 全、高效的先进商业聚变堆提供物理和工程技术基础。
• 我国核聚变研究从起步之初，即便规模很小时，就以在我 国实现受控热核聚变能为主要目标。自70年代开始，集中 选择了托卡马克为主要研究途径，先后建成并运行了小型 CT-6(中科院物理所)、KT-5(中国科技大学)、HT6B(ASIPP)、HL-1A(SWIP)、HT-6M(ASIPP)及较大一些 的HL-1M(SWIP)。最近SWIP建成的HL-2A经过进一步升 级，有可能进入当前国际上正在运行的少数几个中型托卡 马克之列。在这些装置的成功研制过程中，组建并锻炼了 一批聚变工程队伍。我国科学家在这些常规托卡马克装置 上开展了一系列十分有意义的研究工作。
EAST基本情况
EAST基本情况一.基本情况为了在近堆芯的高参数条件下研究等离子体的稳态和先进运行，深入探索实现聚变能源的工程、物理问题，等离子体所在成功建设中国第一个超导托卡马克HT-7的基础上，提出了“HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置建设”计划。
为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义，项目的名称在2003年10月正式由HT-7U改为EAST。
EAST由实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马克“Tokamak”四个单词首字母拼写而成，它的中文意思是“先进实验超导托卡马克”，同时具有“东方”的含意。
EAST装置是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置（右图），其主要技术特点和指标是：16个大型“D”形超导纵场磁体将产生纵场强度BT = 3.5 T ；12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化ΔФ≥10 伏秒；通过这些极向场超导磁体，将能产生≥100万安培的等离子体电流；持续时间将达到1000秒，在高功率加热下温度将超过一亿度。
EAST装置的主机部分高11米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。
其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电源及其回路、大型超导体测试、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。
学科涉及面广，技术难度大，许多关键技术目前在国际上尚无经验借鉴。
特别是EAST运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空等极限环境，从芯部上亿度高温到线圈中零下269度低温，给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求。
EAST的建造具有十分重大的科学意义，它不仅是一个全超导托卡马克（左图为托卡马克示意图），而且具有会改善等离子体约束状况的大拉长非圆截面的等离子体位形，它的建成使我国成为世界上少数几个拥有这种类型超导托卡马克装置的国家，使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。
EAST装置超导线圈超导保护
• 4：微机控制系统:包括信号监测，波形实时显示，故障报警，各线圈数 据保存，分析和查询，网络远程控制 .当超导线圈转变为正常态可同时 发出控制信号。优点是对信号处理更灵活，参数更易修改，缺点：稳定 性不够，可做为硬件保护系统的后备。
• 对干扰信号是较高频的（1K以上,做滤波处理) • 主要是要针对低频干扰方法（1）从大杜瓦历次失超图可看出磁体一旦失
（二）：失超信号探测方法
1：HT-7电桥平衡法 ，已不适用，无法去除di/dt引起的感应电压。 2：同绕线探测方法:把磁体绕组具有相同尺寸和面积，与电缆内股线具有
相同扭距的次级感应回路用来抵消噪声电压，即同绕线探测法。
失超探测电压U=（L-K）di/dt+Ir，
• 理论上：当r=0时，失超探测电压U=（L-K）di/dt+Ir=0；
0 0
（未经 二 次补偿曲 线） （经 二 次补偿 后曲 线）
5000
10000
励 磁速 率
15000
20000
（ A/S）
编辑课件ppt
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二：关于监测信号的二次补偿
• 第一：单饼线圈实验（大杜瓦）： • 失超探测电压U=（L-K）di/dt+Ir， 由于U=（L-K）di/dt≠0，采用二次补偿，即用
中心螺管线圈同绕的四根同绕线其中一根通过分压后抵消U’=M’di/dt=（L-K） di/dt≠0的值 • 失超探测电压U=（L-K）di/dt+Ir+U’， • 此时：当r=0时： U=（L-K）di/dt+U’=0； • 当r ≠ 0时： U=（L-K）di/dt+U’+Ir ≠ 0； • 在大杜瓦实验结果较满意。 • 第二：多个线圈同时通电 • 失超探测电压U=（L11-K)di1/dt+(M12-K)di2/dt+(M13-K)di3/dt+..+(M115K)di14/dt+Ir • 中心螺管线圈同绕的四根同绕线其中一根通过分压后抵消 • U’=K’di1/dt+K’di2/dt+K’di3/dt+..+K’di14/dt • 理论上：同绕线感应的信号同超导线圈上的感应的信号变化应该完全一致的，但 总装后工艺上的差别，各线圈相互间的影响如何还需要在实际通电实验中得到验 证。所以会在获取各线圈原始数据后，才能更好的有针对性的解决。
关于全超导托卡马克核聚变实验装置的学术成果 -回复
关于全超导托卡马克核聚变实验装置的学术成果-回复全超导托卡马克核聚变实验装置（以下简称“全超导托卡马克装置”）是目前国际上最先进的核聚变实验设备之一。
它采用了超导磁体和高温超导材料，旨在实现长时间稳定运行以及高效能的控制磁约束聚变等离子体。
该装置的建设和运行取得了一系列学术成果，对于推动核聚变技术的发展以及解决能源问题具有重要意义。
首先，全超导托卡马克装置在核聚变技术的研究和发展方面做出了重要贡献。
通过模拟和实验的结合，确定了合适的磁约束参数和聚变等离子体参数，为实现核聚变反应提供了关键性的支持。
研究人员通过精确的场调控技术，在装置中成功实现了高强度磁场的精确定位和稳定控制，从而保证了核聚变反应区域的稳定性和可控性。
其次，全超导托卡马克装置还通过改进设备结构和优化运行模式，提高了聚变等离子体的能量密度和温度。
研究人员采用了先进的超导材料，使得维持高温等离子体所需能量大大减少，从而取得更高的能量回收效率。
同时，装置中的多级螺旋状磁场系统的创新设计，有效地改善了等离子体运动轨道，提高了反应的效率和稳定性。
另外，全超导托卡马克装置在研究材料耐辐照和承受高温等极端条件的能力方面也取得了重要突破。
在核聚变反应过程中，反应室内的等离子体释放出大量的中子和高能粒子，对设备材料产生严重的辐射损伤和高温腐蚀。
研究人员采用了先进的材料设计和冷却技术，有效提高了全超导托卡马克装置的辐照/高温耐受能力，为持续稳定的聚变实验提供了重要保障。
此外，全超导托卡马克装置在研究并优化核聚变燃料及等离子体参数的过程中积累了大量宝贵的数据。
通过对燃料含量、比例以及压力等参数的调节，研究人员在装置内成功实现了不同燃料组合的核聚变反应，并收集了大量实验数据，为未来工程型托卡马克设计和运行提供了重要参考。
综上所述，全超导托卡马克核聚变实验装置在研究和发展核聚变技术方面取得了一系列学术成果。
通过优化装置结构和运行模式，研究人员提高了聚变等离子体的能量密度和温度，实现了可控的核聚变反应。
EAST全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置【精品文档-doc】
龙芯2E通用64位处理器是目前全球除美日之外性能最高的通用处理器，也是祖国大陆地区第一个采用90纳米设计技术的处理器。
中科院计算机所研制的龙芯2E处理器最高主频达到1．0GHz，实测性能超过1．5GHz奔腾IV处理器的水平，具有低成本、低功耗、高性能、高安全性等特点，在不同工作条件下龙芯2E处理器的功耗在3瓦~8瓦范围内。
“十一五”期间，龙芯处理器将为推进我国信息化做出更大的贡献。
1．EAST全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置2．2006年9月26日，由国家发改委投资建设的国家大科学工程EAST超导托卡马克核聚变实验装置在进行的首日物理放电实验的过程中，成功获得了电流大于200千安，时间接近3秒的高温等离子体放电，这标志着世界上第一个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置已在中国首先建成并正式投入运行。
龙芯CPU入选2006年中国十大科技创新成果甲醇制取低碳烯烃技术开发及工业性试验取得重大突破性进展由中科院大连化物所与陕西新兴煤化工科技发展有限责任公司和中国石化集团洛阳石化工程公司合作的“甲醇制取低碳烯烃（DMTO）技术开发”工业性试验项目取得重大突破性进展，在日处理甲醇50吨的工业化试验装置上实现了近100％甲醇转化率，乙烯选择性40.1％，丙烯选择性39.0％，低碳烯烃（乙烯、丙烯、丁烯）选择性达90％以上的结果。
试验装置的成功运转，对我国综合利用能源、拓展低碳烯烃原料的多样化具有重大的经济意义和战略意义。
高二（16）班。
EAST超导失超诊断故障保护模式供讨论
EAST超导失超诊断故障保护模式2006，2，6一: 失超保护系统可能存在的故障态和保护模式：1：超导失超信号判断（保护）以硬件为主，当个别硬件出现故障时，保护模式：（1）需要增加计算机采集通道，对每路硬件和超导保护原始检测信号进行巡检，发生故障时，发出声音报警并暂停放电，以便及时更换上硬件的备件。
（2）增加手动按钮，紧急情况手动发出指令。
2：计算机监控系统发生死机：保护模式：采用多机监控模式，即多台计算机之间相互监控，当某台计算机发生死机时声音报警，以便及时恢复。
3：楼上停电保护模式：对于照明停电，希望增加应急照明措施。
隔离电发生故障时，通过UPS暂时供电，同时发出切除电流的指令。
4：另希望增加摄像头的监控，一旦发生火情和水情可以及时发现。
5．希望进行灭火器使用培训。
二：在故障态保护过程中对相关系统的要求：1：在总控室增加手动紧急分按钮，适当时候可以发出紧急切除线圈上电流的指令。
2：增加压力（或）温度作为超导保护的后备。
注：．（1）准备做温度后备失超保护手段。
（2）压力作为后备失超保护手段未落实。
3．当发生停电、死机等情况，温度后备失超保护手段可能失效。
下一步我们将后备失超保护改成硬件控制，当发生停电时，硬件输出节点将处于失超保护状态。
4、放电过程中，温度显示不正常（或出现故障），是否需要由服务器向总控发出警报？5、技术诊断三楼分控室接线端子耐电压等级？(需要监视器监控)三.. 技术诊断数采系统可能存在的故障态；(1) 供电系统故障等原因导致的本系统局部或者全部断电，包括采集机死机。
若仅现场采集层（EAST附厅3楼）断电，则监控层（8-1东测控楼1楼南测）接收不到数据，监控程序和数据库程序都将显示“网络传输出错”。
（2）由于放大器、恒流源或者传感器等硬件故障，导致出现错误数据。
根据温度计的特性指定采集到的数据的数值区间，如果不在这个区间，则报错。
（ⅰ）Cernox温度计的电阻值处在7000~50欧姆，输入恒流源为10uA 时，则采集到的电压值范围在0.5~70mV，放大倍数为100，则电压值范围在50mV~7000mV。
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被 切 断
难 ， 向 场 线 圈 系统 在 建立 等 离 子体 电流 时必 极 须提 供极 快 速 （ 等离 子 体击 穿 ） 和快 速 （ 电流爬
升） 的磁 通变 化 ， 向场 线 圈 自身 ， 向场线 圈 极 极
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方 法提 高输 入检 测 信号 的信 噪 比。
１ ２ 采用 失超 保护 检 测 电路原 理 ．
图 １ 典 型 的 失 超 波 形 图
为 了获 得 高信 噪 比的原 始 信号 ， 考虑 到超 导线 圈 为感 性 负 载 ， 获得 的大 部 分噪 声 干扰 而
ＥＳ Ａ Ｔ超导监控系统采用以电压 阈值判别 法为主要失超检测方法。传统的检测方法采用 电桥 法 ， 这种失 超检 测方 法有 着广 泛 的应 用 ， 在
我所 的 Ｈ ７托 卡 马克 装 置 上也 是 采用 这 种 Ｔ一
检测方 法做 为纵 场超 导线 圈 的失超 检测法 。
尽量降低失超指令的误触发。
之 间及极 向场与 等 离子 体 电流 之 间都 会 出现强
一
，
一
耦合 ， 这种 复 杂 的 电磁 环 境 场下 ， 超导 检测信 号 会 淹没 在 大量 的 噪声 信号 中无法 有效识 别真 实 —４０ຫໍສະໝຸດ Ｏ０５０ ｏ０—
的失 超 信 号 ， 以需 要 采 用更 有 效 的信号 检 测 所
文献标 识码 ： Ａ
文章编号 ： ０５ ． ３ （００ ０． ４ － ２８ ９４ ２１ ）９１ ６０ ． ０ ２ ５
Ｅ Ｓ 卡 马克实 验装置 包括 ｌ 纵 场线 Ａ Ｔ托 ６饼 圈和 ｌ ４饼极 向场 线 圈 。作 为全 超 导 托 卡 马 克 装置 ， 不但纵 场线 圈 ， 同时所有 极 向场线 圈都处 在 超导 态 ， 在 世界 托 卡 马克 装 置上 是 首 次实 这
为安全 ， 迅速 的超 导检 测 方 法 。一 方 面在 发生 真正失 超时能够 快速作 出判 断 ， 出失 超指 令 ， 发
１１ Ｅ Ｔ装 置失超 保护 检测 技术 的发展 ． ＡＳ
及时切断电流电源将超导线圈上电流泄放 ； 同
时在正 常实验 运行 时 ， 能够去 除各 种 电磁 干扰 ，
１ 失超 线 圈 检 测方 法
传统的超导线圈超导保护信号检测方法主
要包 括 ： 电压检 测法 ， 温升检 测 法 ， 力检测 ， 压 流
现。全超导托卡马克 的运行存在高风险 ， 体现 在超导磁体储能高易发生失超。特别是极 向场 线圈 ， 由于等离子体 电流的建立必须 由极向场
线 圈系统 提供 极 快速 的磁通 变 化 ， 随之产 生 较
第３ Ｏ卷
２１ ００年
第 ９期
９月
核 电子学 与探 测技术
Ｎｕ ｌａ ｅ ｔｏ ｉｓ ＆ Ｄｅ ｅ ｔｏ ｃ ｎ ｌｇ ｃ ｅ ｒＥｌ ｃｒ ｎ ｃ ｔｃｉｎ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ
Ｖ０ ． ０ Ｎｏ． １３ ９
Ｓ ｐ ． ２ １ ｅｔ ００
Ｅ Ｔ全 超 导 托 卡 马 克 装 置 失 超 保 护 ＡＳ 检 测 技 术 的 现 状 及 发 展
过工程验收达到装置实验运 行要 求。主要介 绍 了 Ｅ Ｓ 超 导装置失 超检 测系统 的基 本结 构 和检 测原 ＡＴ
理， 同时还简述失超检测技术的发展并给 出了实验结果 。 关键词 ：Ａ Ｔ 全超导托卡马克 装置 ； Ｅ Ｓ； 失超检测 ； 纵场线圈 ； 电压互感器
中图分类 号： Ｔ ３ Ｌ６ ２
量检测法 ， 生波检测等。其 中最有效而常用 超 的检测法就是 电压检测法。Ｅ Ｓ Ａ Ｔ超导监控系 统采用 以电压检测法为主要失超保 护检测方 法， 温升和压力检测作为后备保护。 超 导线 圈一 旦发 生 失 超 ， 常 态 电阻 以一 正 定速率传播 ， 检测到失超电压如图 １ 电压检测法失超判别依据 ： 超导检测信号
收 稿 日期 ：０ ８０ －５ ２０ －４０
作者简介 ： 胡燕兰 ， ， 女 高级工程师 ， 主要从事超导 磁
体 失 超 检测 和 保 护 方 面 的 研 究 及 实 验 。
１４ ２ ６
而对 于极 向场 线 圈 进 行 失 超 检 测 更 为 困
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失超 发， 圭
电压 超过 阈值 电压 ， 持 续 设 定 的延 迟 时 间就 并
认定 失超 发生 。
高的交流损耗使极 向场线圈特别是 中心螺管线
圈很容易失 超 。一旦 发 生 失 超 ， 不 能及 时进 如
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 。作为超 导检 测系统 需要 选择 最
较好 。
Ｑ Ｄ：超 导保护硬件单元
图３ Ｅ Ｓ Ａ Ｔ装置上 采用端 电压失超检测方法
表 １ ＨＴ 一 ７纵 场 超 导 线 圈保 护 单 元 数 量 及 阈 值 设 定
是磁 场 之 间相 互耦 合 产 生 的感 应 电压 ， 采用 与 磁体 绕组 具有 相 同尺寸 和 面积导 体放 在超 导线 内部 ， 与绞 缆 ， 用次 级感 应 回路 能有效 地抵 参 利
消噪声电压 ， 对抑制 Ｂ上， ∥和 自场电压效果 Ｂ
胡燕 兰 ， 吕环 宇 ， 则 英 ， 朱 陆建 华
（ 中国科学 院等离子体物理研究所六 室 ， 安徽合肥 ２ ０ ３ ） ３０ １
摘要 ：Ａ Ｔ装置是 “ Ｅ Ｓ 九五” 国家重大科学工程项 目之 一 ， 做为 世界上第 一个全超 导托 卡马克装置 ， 其纵场 和极向场线圈全部 由超 导磁体组成 ， 进行安全 ， 准确 ， 有效 的失超保 护是装置 安全运 行的首要 环 节。如何在 全超导托 卡马克装置这样复杂的 电磁环境进行 失超检 测在世 界上 也无先 例可 寻。Ｅ Ｓ Ａ Ｔ上 失超检测系统经过几 十轮单饼超导线圈实验及两轮装置正式放 电实验后 逐步建立 和完善起 来 ， 已通 并