朱志剛，張啟勇

中國科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥 230031

由強磁場約束高溫等離子體的磁約束核聚變，被認為是人類最終實現(xiàn)可控核聚變能利用最具前途的方法。隨著磁體的大型化，采用超導(dǎo)磁體技術(shù)將是未來聚變裝置的唯一選擇。利用大型超導(dǎo)磁體代替常規(guī)磁體應(yīng)用于托卡馬克裝置中，不僅可以節(jié)省電力，還可以提高磁體電流密度，增大磁場強度，以及提高裝置的磁約束能力[1]。全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置——東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)，于2006年在中國科學(xué)院等離子體物理研究所建成，它是世界上第一臺采用全超導(dǎo)體的托卡馬克裝置。2017年7月3日，EAST實現(xiàn)穩(wěn)定的101.2 s穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀錄。實驗運行期間，EAST裝置內(nèi)部存在幾千萬度的高溫等離子體，同時在超導(dǎo)磁體中也存在由低溫系統(tǒng)提供的4.5 K(-268.65 ℃)極低溫度的氦，將超導(dǎo)磁體冷卻至臨界溫度以下，使其工作在超導(dǎo)態(tài)。

通過人工的方法使某一物體或空間獲得并保持低于120 K的系統(tǒng)稱為低溫系統(tǒng)[2]。低溫系統(tǒng)在氣體液化與分離、空間技術(shù)和科學(xué)研究等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其是利用超導(dǎo)技術(shù)的高能加速器、高能粒子探測器和核聚變等大科學(xué)裝置領(lǐng)域。由于超導(dǎo)材料特性的要求，超導(dǎo)技術(shù)的實現(xiàn)需要超導(dǎo)材料工作在一定的低溫環(huán)境下。目前應(yīng)用較為廣泛的低溫超導(dǎo)磁體，通常需要冷卻至4.5 K液氦溫區(qū)，因而大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)都需配備一個大型氦低溫系統(tǒng)，其在液氦溫區(qū)的制冷量從幾百瓦到幾十千瓦不等。

EAST 低溫系統(tǒng)是由中國科學(xué)院等離子體物理研究所自主設(shè)計建造的，于1999年開始設(shè)計，2006年成功實現(xiàn)EAST裝置超導(dǎo)磁體首次降溫通電實驗，是目前中國自主研制的最大氦低溫系統(tǒng)。作為EAST裝置重要的子系統(tǒng)之一，EAST低溫系統(tǒng)的主要作用是冷卻超導(dǎo)磁體，冷卻對象包括超導(dǎo)線圈、支撐結(jié)構(gòu)和高溫超導(dǎo)電流引線、中性束注入系統(tǒng)的低溫冷凝泵、彈丸注入及其他診斷系統(tǒng)[3]。

1 EAST低溫系統(tǒng)流程

獲得13 K以下的溫度，只能采用氦作為制冷工質(zhì)。氦氣是一種無色、無味的惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，在1個標準大氣壓下的液化溫度為4.2 K(-268.95 ℃)，是最難液化的氣體，而且氦氣不可燃，因此是一種良好的低溫制冷劑。超導(dǎo)磁體系統(tǒng)除了外界的輻射和導(dǎo)熱等熱負荷外，還有因磁場變化引起的交流損耗及等離子體物理實驗中的核熱等脈沖熱負荷。根據(jù)EAST裝置熱負荷分析的結(jié)果，氦制冷機的設(shè)計制冷量為1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13 g/s LHe+(13～25)kW/80 K，當量制冷量超過2 kW/4.5 K。圖1為 EAST低溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成，包含2個制冷循環(huán)：一個是基于液氮預(yù)冷的Claude制冷循環(huán)，制取4.5 K的冷量，共有3臺透平膨脹機TB、TC、TD；另一個是逆Brayton制冷循環(huán)，制取80 K的冷量，采用2臺透平膨脹機TA1、TA2。常溫常壓氦氣由儲氣罐或裝置回氣管道吸入，由低壓螺桿壓縮機組和高壓螺桿壓縮機組兩級壓縮，壓力由1.04 bar(1bar=100 kPa)壓至5.1 bar再到20 bar，再經(jīng)過除油系統(tǒng)凈化后進入制冷機冷箱。20 bar氦氣在冷箱中分為兩路。一路設(shè)計流量為110 g/s，經(jīng)液氮預(yù)冷后由透平TA1、TA2膨脹，用來冷卻80 K冷屏，回氣壓力為5 bar左右，接高壓機組吸氣端。另一路設(shè)計總流量為210 g/s，經(jīng)液氮預(yù)冷后，分為兩路：一路設(shè)計流量為100 g/s，給透平TB、TC串級膨脹后回到低壓路；另一路設(shè)計流量為110 g/s，經(jīng)過透平TD膨脹和節(jié)流后，制取4.5 K溫度級的冷量供磁體降溫，裝置回氣由低壓路或負壓路回到低壓機組吸氣端。當需要3.5 K制冷量時，啟動油環(huán)泵對過冷槽進行減壓降溫來實現(xiàn)。10 000 L液氦杜瓦可為制冷機液化儲存液氦，并且在實驗運行需要的冷量增加時給予液氦補充。

圖1 EAST低溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 氦壓縮機站

EAST低溫系統(tǒng)運行時，氦壓縮機站(圖2)為制冷系統(tǒng)提供穩(wěn)定流量、壓力的氦氣。EAST壓縮機站共有9臺氦氣噴油螺桿壓縮機，其中7臺由中國產(chǎn)氟利昂壓縮機改造而成，低壓級4臺，高壓級3臺。2012年購置了2臺MYCOM公司的大容量螺桿壓縮機安裝到系統(tǒng)中并投入使用，每臺壓縮機自帶2臺油泵，均配備臥式高效油分，且采用全自動控制。壓縮機出口設(shè)有除油系統(tǒng)，由4臺油氣分離器、1臺活性炭吸附器、1臺分子篩干燥器和粉塵過濾器構(gòu)成。凈化后的氦氣中油的質(zhì)量分數(shù)小于1×10-8，水的體積濃度小于5×10-6，氮氣的體積濃度小于3×10-6，碳氫化合物的體積濃度小于1×10-6。氦

圖2 EAST壓縮機站

氣回收系統(tǒng)由回收壓機、氣柜等組成，用來回收實驗結(jié)束后的氦氣，儲氣總?cè)萘窟_10 000 Nm3(圖3)。

圖3 10 000 Nm3氦氣儲罐

3 制冷機系統(tǒng)

為了盡可能降低環(huán)境向低溫部件傳熱，氦制冷機所有的低溫部件集成在一真空容器構(gòu)成的冷箱中，并采用多層真空絕熱，以減少設(shè)備與室溫環(huán)境的傳熱。EAST氦制冷機有1個冷箱和1個低溫閥箱(圖4)。冷箱中包含低溫換熱器、膨脹機、低溫吸附器、過濾器及低溫管道、閥門等。閥箱由一個測試液氦槽和測試過冷槽以及相關(guān)低溫閥門組成，用于在制冷機單獨運行時，輔助測試制冷機的性能指標[4]。

圖4 氦制冷機冷箱、閥箱外形圖

氦透平膨脹機是EAST低溫系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，通過氣體的絕熱膨脹對外做功來獲得冷量。其運行穩(wěn)定性及效率決定了整個氦制冷機的穩(wěn)定性與效率，從而直接影響EAST裝置物理實驗的安全穩(wěn)定進行。EAST全新透平采用捷克ATEKO公司的動壓氣體軸承電渦流制動的透平膨脹機(圖5)，具有轉(zhuǎn)速高(每分鐘11～18萬轉(zhuǎn))、啟?？?、控制精度高和易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點。

圖5 透平膨脹機

EAST的熱負荷總是隨著時間變化的，在白天實驗和晚上待命狀態(tài)下，熱負荷會有較大差別。為提高制冷機運行的效率，利用10 000 L液氦杜瓦儲存夜間多余的制冷量用于補償白天熱負荷的超額[1]。

4 分配系統(tǒng)

分配系統(tǒng)的主要作用是將從制冷機輸送過來的低溫流體提供給各冷質(zhì)組件，使工質(zhì)的溫度、壓力及流量等參數(shù)滿足低溫部件冷卻需求。如圖6所示，EAST裝置不同冷質(zhì)部件采取不同的冷卻方式：極向場線圈由制冷機節(jié)流路提供110 g/s、4.5 K的超臨界氦冷卻；縱場線圈和線圈盒在降溫階段由制冷機來提供氦流冷卻，在實驗運行時由氦循環(huán)泵提供大流量的 4.5 K超臨界氦迫流冷卻；氦制冷機提供 58 K、5.3 bar的氦氣冷卻熱輻射屏(即冷屏)；高溫超導(dǎo)電流引線則是直接采用液氮冷卻；低溫泵和小球注入系統(tǒng)由分配閥箱中的液氦槽直接提供液氦冷卻。

5 低溫測量控制系統(tǒng)

根據(jù)低溫系統(tǒng)的特點以及對控制系統(tǒng)的要

圖6 低溫分配系統(tǒng)流程圖

求，低溫控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上包括低溫冗余控制網(wǎng)、數(shù)據(jù)交換網(wǎng)和總控子網(wǎng)系統(tǒng)3個部分，圖7為低溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。低溫冗余控制網(wǎng)主要是基于Emerson過程控制有限公司的DeltaV軟件所建立的DCS系統(tǒng)，負責(zé)完成低溫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，并實現(xiàn)低溫系統(tǒng)降溫過程的自動控制。數(shù)據(jù)交換網(wǎng)主要基于 OPC(OLE for process control)協(xié)議實現(xiàn)第三方軟件與 DCS 系統(tǒng)的互聯(lián)，在本系統(tǒng)中實現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存與交互系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。總控數(shù)據(jù)子網(wǎng)部分從結(jié)構(gòu)上是屬于總控網(wǎng)絡(luò)的一部分，在系統(tǒng)中主要實現(xiàn)技術(shù)診斷部分低溫測量數(shù)據(jù)的傳輸，以及低溫系統(tǒng)向總控實時發(fā)送關(guān)鍵點數(shù)據(jù)。總控數(shù)據(jù)子網(wǎng)相對于低溫系統(tǒng)來說是外網(wǎng)結(jié)構(gòu)，從網(wǎng)絡(luò)安全角度考慮，在總控數(shù)據(jù)子網(wǎng)與數(shù)據(jù)交換網(wǎng)之間采用防火墻設(shè)置，確保低溫系統(tǒng)內(nèi)部子網(wǎng)的安全。FTP 客戶服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫客戶端是在防火墻之外，可以通過FTP 客戶端向低溫系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)和上傳數(shù)據(jù)；低溫系統(tǒng)向數(shù)據(jù)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，通過總控系統(tǒng)和技術(shù)診斷系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。

6 低溫系統(tǒng)的運行

從2006年第一輪實驗以來，EAST低溫系統(tǒng)成功保障了裝置的13輪物理實驗，總運行天數(shù)為1 460 d。在每輪實驗中，300～80 K的降溫約需要15 d，80～4.5 K降溫需要7 d，整個降溫過程約需要22 d。待實驗運行結(jié)束后，低溫系統(tǒng)從低溫回溫至常溫約需要7 d。EAST低溫系統(tǒng)的歷次運行時間統(tǒng)計如表1所示，第13輪實驗降溫曲線如圖8所示。

圖7 低溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

7 結(jié)語

EAST低溫系統(tǒng)是由中國科學(xué)院等離子體物理研究所自主設(shè)計建造，是目前中國最大的氦低溫系統(tǒng)。自建成以來，EAST低溫系統(tǒng)累計運行時間1 460 d，成功保障了EAST裝置的13輪物理實驗。在EAST低溫系統(tǒng)設(shè)計、建造與運行的各個階段，積累了大型氦低溫工程技術(shù)經(jīng)驗，推動了中國大型超導(dǎo)磁體、聚變裝置等科學(xué)研究的跨越式發(fā)展。

表1 EAST低溫系統(tǒng)歷輪運行時間統(tǒng)計 d

圖8 EAST第13輪實驗運行的降溫曲線

(2017年9月26日收稿)■

參考文獻

[1] 白紅宇. HT-7U超導(dǎo)托卡馬克氦制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析及設(shè)計研究[D]. 合肥: 中國科學(xué)院研究生院(等離子體物理研究所), 2002.

[2] 張祉祜. 低溫技術(shù)原理與裝置[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1987.

[3] 白紅宇, 畢延芳, 翁佩德, 等. EAST超導(dǎo)托卡馬克低溫系統(tǒng)及降溫實驗[C]//全國低溫工程大會暨中國航天低溫專業(yè)信息網(wǎng)2007年度學(xué)術(shù)交流會, 2007.

[4] BAI H Y, BI Y F, ZHU P, et al. Cryogenics in EAST [J]. Fusion Engineering and Design, 2006, 81(23): 2597-2603.