李童，馬光輝，武玉，錢靜

中國科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥 230031

東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)位于合肥市西郊科學(xué)島，是我國設(shè)計(jì)建造的國際上第一個(gè)建成并投入運(yùn)行的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，是國家“九五”大科學(xué)工程，同時(shí)也是面向國內(nèi)外開放的核聚變實(shí)驗(yàn)平臺和研究中心。EAST裝置由多個(gè)系統(tǒng)組成(圖1)，其中主機(jī)部分由內(nèi)真空室、縱場磁體系統(tǒng)、極向場磁體系統(tǒng)、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦，以及支撐系統(tǒng)組成。主機(jī)周圍也布滿附屬系統(tǒng)，包括等離子體物理診斷及技術(shù)診斷系統(tǒng)、中心束加熱系統(tǒng)、低雜波電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、離子回旋波加熱系統(tǒng)、真空抽氣系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)，以及超導(dǎo)磁體電源系統(tǒng)等[1]。

1 EAST超導(dǎo)磁體系統(tǒng)

1.1 EAST超導(dǎo)磁體系統(tǒng)介紹

EAST裝置的核心部件大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)主要由縱場(TF-toroidal field)磁體系統(tǒng)和極向場(PF-poloidal field)磁體系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)組成，如圖2所示。TF磁體系統(tǒng)由 16 組“D”形超導(dǎo)線圈沿環(huán)向均布組成；PF 磁體系統(tǒng)由14組環(huán)形超導(dǎo)線圈組成，包括6組中心螺管(CS-central solenoid)線圈、4組大線圈和4組偏濾器線圈。其中TF運(yùn)行時(shí)一般電流保持穩(wěn)定，提供恒定的磁場環(huán)境；PF7～PF14通快速變化電流，通過快速變化的磁場實(shí)現(xiàn)等離子體控制；CS1～CS6的作用是在第一壁上感應(yīng)出大電勢差，從而擊穿等離子體。

為了實(shí)現(xiàn)裝置的長脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，EAST超導(dǎo)磁體均采用鎧裝電纜導(dǎo)體CICC(cable in conduit conductor)，超導(dǎo)材料為NbTi，采用4.5 K超臨界氦迫流冷卻。CICC導(dǎo)體是由超導(dǎo)股線經(jīng)表面處理，然后經(jīng)過多級絞纜，穿入無磁金屬材料管內(nèi)，再壓制成所需形狀和內(nèi)部空隙率而成[2]。EAST TF/CS/PF導(dǎo)體的主要參數(shù)如表1所示。

1.1.1 縱場磁體系統(tǒng)

EAST 超導(dǎo)縱場系統(tǒng)可在等離子體中心產(chǎn)生3.5 T的環(huán)向場，縱場磁體的運(yùn)行電流為14.3 kA，線圈上的最高場強(qiáng)為5.8 T，其總安匝數(shù)為30 MAT[3]?？v場磁體全部是由20.4 mm×20.4 mm的CICC導(dǎo)體繞制。每個(gè)線圈由兩個(gè)分別繞制的六餅繞組組成，放在VPI(真空壓力浸漬)模具中經(jīng)過第一次VPI合成一個(gè)整體線圈，繞組之間

有一個(gè)拱手型的內(nèi)接頭，將經(jīng)過一次VPI后的線圈的表面打毛，再纏繞多層玻璃絲帶后裝入已加工好的線圈盒中進(jìn)行第二次VPI。

圖2 EAST超導(dǎo)磁體系統(tǒng)組成

表1 EAST TF/CS/PF導(dǎo)體的主要參數(shù)

1.1.2 極向場磁體系統(tǒng)

極向場的作用是實(shí)現(xiàn)等離子體的成型、加熱和平衡。極向場采用加熱場和平衡場一體化設(shè)計(jì)，全部線圈都相對赤道面上、下對稱布置，以等離子體雙零位形為基礎(chǔ)，通過改變電流大小及方向也可作單零運(yùn)行。EAST極向場可提供約10伏秒的磁通變化，產(chǎn)生并控制1～1.5 MA的等離子體電流，容許最大磁場變化率 dB/dt＜ 7 T/s。線圈導(dǎo)體設(shè)計(jì)的最大工作電流為14.5 kA，最高場強(qiáng)Bp,max＜ 4.5 T，啟動(dòng)等離子體時(shí)的最高環(huán)電壓V1≤15 V[4]。四個(gè)最大的極向場線圈(PF9～PF12)導(dǎo)體截面為 18.5 mm×18.5 mm(不包括絕緣)，中心螺管及其附近的偏濾器線圈(PF1～PF8)導(dǎo)體截面為20.4 mm×20.4 mm。

EAST 中心螺管線圈采用連續(xù)餅式繞法以減少接頭數(shù)量，并使得線圈的電接頭及冷卻回路接頭都通過中心螺管的中心孔以節(jié)省裝置中心平面內(nèi)的徑向尺寸空間。

EAST的兩個(gè)偏濾器線圈(PF7、PF8)各由兩個(gè)線圈繞組組成，在進(jìn)行VPI之時(shí)固化在一起。其中一個(gè)繞組由三根 20.4 mm×20.4 mm的導(dǎo)體繞制而成，應(yīng)用兩個(gè)內(nèi)部超導(dǎo)接頭，另一個(gè)繞組用一根導(dǎo)體繞制，兩個(gè)繞組之間應(yīng)用一個(gè)外部超導(dǎo)接頭。兩對極向場大線圈(PF9～PF12)用18.5 mm×18.5 mm截面的導(dǎo)體繞制，每個(gè)線圈均由兩根導(dǎo)體繞成，有一個(gè)內(nèi)部超導(dǎo)接頭。

1.2 EAST超導(dǎo)磁體實(shí)驗(yàn)

1.2.1 超導(dǎo)磁體低溫測試設(shè)備介紹

中國科學(xué)院等離子體物理研究所建立了超導(dǎo)磁體低溫測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可對直徑3 m、高4 m的大型超導(dǎo)磁體開展低溫性能測試實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)主要部件包括真空室和真空抽氣系統(tǒng)、氦低溫系統(tǒng)、電流引線與超導(dǎo)傳輸線、電源與失超保護(hù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。測試設(shè)備概觀如圖3所示[5]。

圖3 測試設(shè)備概觀

1.2.2 磁體實(shí)驗(yàn)

任何磁體在裝配到EAST裝置前都必須經(jīng)過測試，以確保其滿足設(shè)計(jì)要求。

磁體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要有：①磁體300 K→4.5 K降溫，磁體4.5 K→300 K回溫；②磁體電阻測量、RRR測量、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變點(diǎn)測量；③磁體冷卻回路流量與壓降的關(guān)系；④超導(dǎo)接頭電阻值；⑤磁體未來運(yùn)行的典型波型；⑥磁體臨界電流的測量；⑦降溫和通電時(shí)的應(yīng)力測量。

對于PF線圈還有：①電流快速變化時(shí)磁體穩(wěn)定性；②交流損耗測量；③冷卻流體流量對磁體穩(wěn)定性的影響。

1.2.3 中心螺管(CS)原型線圈實(shí)驗(yàn)

中心螺管原型線圈實(shí)驗(yàn)于2003年4月25日至5月19日進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。線圈在室溫時(shí)總漏率小于2×10-8Pa·m3/s，滿足要求；磁體RRR為79.3，與設(shè)計(jì)值相當(dāng)；線圈各支路流量分配均勻，溫度在5 K以上、支路2.2 g/s時(shí)壓降0.056 MPa，符合運(yùn)行要求。

中心螺管線圈以脈沖方式運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)等離子體建立和控制，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M其工作狀態(tài)和其電流快速變化的超導(dǎo)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)時(shí)工作電流達(dá)到20 kA，最大下降電流變化率20 kA/s，最大上升電流變化率5 kA/s，最大磁場變化率4.4 T/s，線圈性能穩(wěn)定。測試過程中線圈可以在指定的電流波形下運(yùn)行，各部分溫度均在正常范圍，測試結(jié)果表明CS線圈達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4給出降溫過程氦回路溫度；圖5給出線圈典型放電波形；圖6給出線圈快速放電溫度波形；圖7為快速放電波形；圖8為線圈交流損耗測量。

圖4 中心螺管線圈降溫過程氦系統(tǒng)溫度

圖5 CS線圈典型放電波形

圖6 快速放電時(shí)線圈溫度

1.2.4 PF大線圈模型線圈實(shí)驗(yàn)

PF大線圈模型線圈實(shí)驗(yàn)于2003年8月29日至9月22日進(jìn)行。線圈在室溫時(shí)總漏率小于1×10-7Pa·m3/s，低溫時(shí)總漏率小于1×10-6Pa·m3/s，滿足要求。磁體RRR為94.4，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。線圈各支路流量分配均勻，溫度在5 K以上、支路超臨界氦溫度5.7 K、流量 1.3 g/s時(shí)壓降0.09 MPa，符合運(yùn)行要求。通過對不同超臨界氦流量下線圈穩(wěn)定性的測試得到，當(dāng)支路超臨界氦流量大于1 g/s時(shí)，流量對線圈穩(wěn)定性的影響不明顯。

圖7 快速放電波形

圖8 線圈交流損耗測量

PF大線圈以脈沖方式運(yùn)行，為等離子體平衡提供平衡磁場。根據(jù)PF大線圈工作狀態(tài)的電流波形，PF大線圈模型線圈實(shí)驗(yàn)?zāi)M其工作狀態(tài)和其在電流快速變化的超導(dǎo)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)時(shí)在磁體最高溫度為6 K的條件下工作電流達(dá)到±14.5 kA，最大下降電流變化率為5 kA/s，最大上升電流變化率為4 kA/s，線圈性能穩(wěn)定。此次實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了等離子體物理研究所工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)和研制承受快速磁通變化的大型CICC超導(dǎo)磁體的能力。

圖9給出降溫過程氦回路溫度或冷屏溫度；圖10為線圈的典型放電波形；圖11給出線圈快速放電波形；圖12 電流快速變化失超時(shí)線圈電流和溫度變化波形；圖13給出交流損耗測量曲線。

圖9 PF線圈降溫過程氦系統(tǒng)溫度

圖10 PF線圈典型放電波形

圖11 電流快速變化時(shí)電流波形和線圈溫度變化

1.2.5 TF磁體實(shí)驗(yàn)

由于所有TF磁體的結(jié)構(gòu)相同，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。在此僅以3#TF磁體為例，給出TF磁體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。3#TF線圈于2003年11月27日至12月18日進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)行了真空和總體減漏、降溫與回溫速度測試，以及熱工水力性能、電磁性能、機(jī)械性能測試。

圖12 電流快速變化失超時(shí)線圈電流和溫度變化波形A

圖13 交流損耗測試

降溫及實(shí)驗(yàn)期間，杜瓦真空維持在10-4Pa量級，氦質(zhì)譜檢漏儀在降溫及實(shí)驗(yàn)期間本底為2×10-10Pa·m3/s，杜瓦(線圈及線圈盒)總漏率小于1×10-9Pa·m3/s。

線圈降溫、回溫過程熱工水力性能測試，降溫與回溫溫度曲線如圖14和15所示。

圖14 TF磁體降溫過程氦系統(tǒng)溫度

磁體電磁性能測試主要包括接頭電阻，磁體典型放電波形，失超信號和保護(hù)，失超時(shí)溫度、流量、壓力變化，線圈磁場測量等。

圖15 回溫過程氦系統(tǒng)溫度

圖16為3#TF磁體在最大電流16.7 kA時(shí)的典型放電波形，從測量數(shù)據(jù)可知磁體在勵(lì)磁過程中溫度上升很小，導(dǎo)體的交流損耗不大。失超時(shí)流體最高溫度 27 K，最高壓力1.1 MPa，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。圖17為3#TF磁體在最高進(jìn)口溫度8.0 K、失超電流14.4 kA時(shí)磁體的溫度波形。失超時(shí)流體最高溫度31 K，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。

圖16 最大電流為16.7 kA的典型波形

圖17 臨界電流為14.4 kA的線圈電流和溫度波形

2 磁體診斷和保護(hù)系統(tǒng)

經(jīng)過包含兩年研發(fā)在內(nèi)的總共近七年的艱苦工作，在2005年初，除4個(gè)大PF線圈外的超導(dǎo)線圈已完成制造并通過測試，所有超導(dǎo)磁體相關(guān)部件(NbTi線纜、子纜、導(dǎo)體、線圈、接頭、HTS電流引線和絕緣子)已在相關(guān)測試機(jī)構(gòu)完成測試，最終EAST組裝工作于2005年底完成。

EAST裝置中的磁體系統(tǒng)全部使用CICC超導(dǎo)體，而超導(dǎo)體需要在低溫下才能工作。裝置運(yùn)行之前需要進(jìn)行長時(shí)間降溫，運(yùn)行時(shí)也需要一直保持低溫狀態(tài)。因此，EAST磁體溫度降到工作溫度(4.5 K)，并且在EAST正常實(shí)驗(yàn)過程中溫度保持穩(wěn)定，是EAST實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)態(tài)運(yùn)行并完成預(yù)定物理目標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

為保證磁體安全穩(wěn)定工作，搭建了三套系統(tǒng)，分別為技術(shù)診斷系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)和失超探測保護(hù)系統(tǒng)。技術(shù)診斷系統(tǒng)用來監(jiān)測超導(dǎo)磁體、HTS電流引線、饋線等冷制部件在降溫過程、運(yùn)行過程和回溫過程中的狀態(tài)參數(shù)。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)根據(jù)不同的系統(tǒng)故障等級采用不同的安全聯(lián)鎖策略。失超探測保護(hù)系統(tǒng)也是保障磁體安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)，主要用來監(jiān)測磁體系統(tǒng)失超信號，并發(fā)出失超保護(hù)信號。

2.1 技術(shù)診斷系統(tǒng)

EAST技術(shù)診斷系統(tǒng)是一個(gè)分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部通信采用基于TCP/IP協(xié)議的局域網(wǎng)方式，同時(shí)該系統(tǒng)通過交換機(jī)連接到等離子體研究所內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)頁服務(wù)器發(fā)布到研究所內(nèi)網(wǎng)頁，所以在研究所內(nèi)任何一臺聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)都可以查看技術(shù)診斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)采集部分的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖18所示。系統(tǒng)各主機(jī)各自采集不同的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，而數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和離線數(shù)據(jù)分析，同時(shí)為其他控制機(jī)提供時(shí)鐘源，保證控制機(jī)時(shí)鐘同步。系統(tǒng)各主機(jī)間通過winsock技術(shù)進(jìn)行通信。

技術(shù)診斷系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)依據(jù)信號要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)所有信號包括180路液氦溫區(qū)信號、210路液氮溫區(qū)信號、32路電阻測量信號、8路應(yīng)變信號、32路電壓探測信號、1路縱場電流信號和8路縱場線圈位移信號，除此以外還有16路信號來自真空加熱控制系統(tǒng)和幾路中央安全聯(lián)鎖信號。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)測量物理量包括溫度、壓力、壓差、質(zhì)量流率、真空度、電流、電壓、電阻、應(yīng)變和位移。

EAST技術(shù)診斷系統(tǒng)的主要作用：①監(jiān)測所有磁體、饋線和電流引線的診斷參數(shù)，保證磁體安全穩(wěn)定運(yùn)行；②為真空加熱系統(tǒng)提供參考信號；③磁體失超預(yù)診斷，請求保護(hù)動(dòng)作。

圖18 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

超導(dǎo)托卡馬克與普通托卡馬克最大的不同在于超導(dǎo)托卡馬克有著特殊的運(yùn)行方式，同時(shí)也伴隨著更高的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是超導(dǎo)托卡馬克中一個(gè)重要的系統(tǒng)，依據(jù)磁體系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的特點(diǎn)是針對不同的故障等級采用不同的故障處理策略，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很成功。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)自首次等離子放電成功以來一直運(yùn)行正常，并多次避免了系統(tǒng)故障帶來的裝置損壞問題[6]。

系統(tǒng)主要故障與風(fēng)險(xiǎn)包括：①由于設(shè)計(jì)缺陷或磁體性能退化導(dǎo)致超導(dǎo)磁體穩(wěn)定性不能滿足運(yùn)行要求；②由于設(shè)計(jì)缺陷、加工安裝或受電磁場和熱循環(huán)影響，導(dǎo)致磁體機(jī)械性能和支撐結(jié)構(gòu)無法滿足要求；③冷卻系統(tǒng)各冷卻回路流量分配不均勻或冷卻管道發(fā)生堵塞；④冷卻回路氣體發(fā)生泄漏，導(dǎo)致真空室的真空度無法達(dá)到運(yùn)行要求；⑤磁體系統(tǒng)的絕緣性能下降；⑥電源系統(tǒng)失控或失超探測與保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致失超后無法正常保護(hù)。

依據(jù)破壞程度，故障可以分為三個(gè)等級，分別為毀滅性事故、系統(tǒng)崩潰故障和一般故障。為了系統(tǒng)安全運(yùn)行，EAST系統(tǒng)故障分為三類，并對不同的故障類別采用不同的安全保護(hù)機(jī)制。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)邏輯如圖19所示。

(1)子系統(tǒng)故障：任何一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障，如系統(tǒng)中任何一個(gè)軟件或者硬件的控制或者監(jiān)測功能無法正確執(zhí)行，此時(shí)該系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)向安全聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送故障信號；接受到信號后，中央安全聯(lián)鎖系統(tǒng)會(huì)鎖定系統(tǒng)，暫時(shí)禁止放電或停止當(dāng)前放電，并通知相關(guān)系統(tǒng)按照規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

(2)二級故障：即一般性故障。當(dāng)二級故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)停止放電，磁體進(jìn)行慢退磁保護(hù)，同時(shí)中央安全聯(lián)鎖系統(tǒng)通知相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行二級保護(hù)。

(3)三級故障：嚴(yán)重等級故障。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)停止放電，磁體進(jìn)行快退磁保護(hù)，中央安全聯(lián)鎖系統(tǒng)通知相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行最高等級保護(hù)。

安全巡檢信號依據(jù)不同故障等級也分為三類，不同信號等級系統(tǒng)采用不同的巡檢機(jī)制，與裝置和個(gè)人安全緊密相關(guān)的信號(最高等級故障、二級故障和緊急停止按鈕)每5 ms執(zhí)行一次檢查，其他信號每10 ms執(zhí)行一次檢查。

圖19 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)邏輯

2.3 失超探測保護(hù)系統(tǒng)

失超保護(hù)系統(tǒng)對于超導(dǎo)托卡馬克非常重要，失超保護(hù)系統(tǒng)主要測量磁體的失超電壓，通過電壓來判斷磁體是否可能失超。EAST中使用同繞帶測量線圈失超，探測電壓信號，但在磁體勵(lì)磁和退磁階段會(huì)產(chǎn)生感生電壓，這很容易導(dǎo)致磁體失超的誤判斷，所以需要采用一些電壓補(bǔ)償措施來消除感生電壓。失超探測系統(tǒng)用于探測磁體失超電壓信號，當(dāng)發(fā)生失超時(shí)會(huì)觸發(fā)失超保護(hù)，并進(jìn)行緊急快退磁和相關(guān)失超保護(hù)動(dòng)作。磁體運(yùn)行時(shí)失超保護(hù)信號會(huì)同時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)，以供記錄對比和安全保護(hù)。

失超探測保護(hù)系統(tǒng)的作用包括：①探測線圈失超信號并發(fā)送失超保護(hù)信號；②研究超導(dǎo)體正常轉(zhuǎn)變過程；③監(jiān)測線圈、HTS電流引線和饋線，保障裝置安全運(yùn)行。

圖20 失超探測系統(tǒng)的邏輯電路圖

超導(dǎo)磁體失超探測一般使用相對較簡單的平衡電橋法。當(dāng)失超探測電壓超過設(shè)定閾值并持續(xù)一段時(shí)間后，表示磁體有可能發(fā)生失超，系統(tǒng)將停止放電。但由于EAST電磁場環(huán)境過于復(fù)雜，平衡電橋法容易受到干擾，無法測量到真實(shí)電壓值，很可能發(fā)生失超誤報(bào)警。另一種方法是同繞帶包繞法，同繞帶沿著線圈包繞可以有效減少電磁干擾引起的失超誤報(bào)警。失超探測系統(tǒng)的邏輯電路如圖20所示。采集到的原始信號經(jīng)過濾波放大后與閾值電壓進(jìn)行比較，同時(shí)記錄大于閾值電壓的時(shí)間，若時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間常量，則發(fā)送失超保護(hù)和報(bào)警信號。

技術(shù)診斷系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖和失超探測保護(hù)系統(tǒng)是保障EAST磁體安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)。技術(shù)診斷系統(tǒng)主要用于監(jiān)測磁體系統(tǒng)狀態(tài)；安全聯(lián)鎖系統(tǒng)主要用于系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)按照故障等級執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作；失超探測保護(hù)系統(tǒng)主要用于探測磁體電壓，防止磁體失超[7]。

3 EAST工程調(diào)試

EAST于2005年底完成安裝，在正式實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了三次工程調(diào)試。工程調(diào)試的目的是測試各系統(tǒng)能否正常工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求。首次工程調(diào)試開始于2006年2月1日，結(jié)束于3月30日；第二次工程調(diào)試開始于2006年7月，結(jié)束于當(dāng)年10月；第三次工程調(diào)試開始于2006年12月，結(jié)束于2007年2月。測試地點(diǎn)均在中國科學(xué)院等離子體物理研究所。為保證裝置正常運(yùn)行，每次工程調(diào)試包含了各項(xiàng)測試，其中有室溫和低溫下漏率測試，抽真空和線圈降溫測，電流引線、電流傳輸線、冷屏降溫測試，各線圈通電測試，磁場形位測量，以及磁體回溫測試。測試參數(shù)包括EAST極向場和縱場磁體的電磁學(xué)、熱工水利和機(jī)械性能等。同時(shí)，EAST的子系統(tǒng)包括真空系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、磁體電源系統(tǒng)、失超探測與保護(hù)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、等離子體控制系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等均需要進(jìn)行測試。

3.1 EAST首次工程調(diào)試

首次工程調(diào)試開始于2006年2月1日，結(jié)束于3月30日。EAST工程調(diào)試主要目的有：①測試EAST裝置和其子系統(tǒng)工程性能；②探索可靠的等離子體運(yùn)行狀態(tài)；③獲取裝置本身及其子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；④驗(yàn)證安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。首次工程調(diào)試期間，共通電260次，其中TF電流最大值為8 200 A(中心磁場2 T)，最長持續(xù)時(shí)間為5 000 s，所有測試結(jié)果表明EAST裝置及其子系統(tǒng)的建造非常成功。實(shí)驗(yàn)過程如下：

(1)2月7日開始抽真空，低溫容器的最大真空值為3.8×10-5Pa，達(dá)到運(yùn)行要求值(2×10-4Pa)。

(2)2月10日，2 kW/4.5 K制冷機(jī)開始工作；2月18日，裝置開始降溫；3月4日，所有的線圈(共215 t冷質(zhì)部件)溫度降到4.5 K(降溫過程如圖21所示)。低溫系統(tǒng)已達(dá)到最優(yōu)化且運(yùn)行狀態(tài)良好，各冷卻管道的質(zhì)量流率超過設(shè)計(jì)值。

(3)4套PF線圈供電系統(tǒng)分別連接到PF線圈上并且成功進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明PF電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

(4)中央控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、等離子體控制系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)均通過測試，測試結(jié)果達(dá)到工程調(diào)試要求。

(5)進(jìn)行了電阻測量，磁體溫度與電阻測量值測量結(jié)果良好。87個(gè)接頭電阻值均小于10 nΩ，符合運(yùn)行要求。

(6)所有線圈在不同電流與不同勵(lì)磁速率下通電測試。線圈測試包括單個(gè)線圈測試、一對PF線圈測試、4組PF線圈聯(lián)調(diào)，以及4組PF+TF線圈聯(lián)調(diào)。TF線圈電流最長持續(xù)時(shí)間為5 000 s(如圖22所示)，最大電流值為8 200 A(中心磁場2 T)，PF線圈最大勵(lì)磁速率為20 kA/s，共進(jìn)行了260次通電。所有測試包括失超測試、接頭電阻測試和磁場配置測試。

圖21 磁體降溫過程

圖22 TF線圈通電波形

(7)失超探測和磁體診斷獲得了大量有用數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對建立可靠的失超保護(hù)和磁場配置具有重要作用，同時(shí)為建立可靠的部件安裝數(shù)據(jù)庫具有重要意義。

(8)18個(gè)銅制電流引線和8個(gè)HTS(高溫超導(dǎo)體)電流引線均工作正常并通過測試。

EAST成功進(jìn)行了首次工程調(diào)試，并取得滿意結(jié)果，這是對EAST團(tuán)隊(duì)的極大鼓勵(lì)。EAST團(tuán)隊(duì)堅(jiān)信：盡管困難重重，但EAST裝置將會(huì)成功建造，并推進(jìn)偏濾器位形等離子體研究的進(jìn)展。

(編輯：沈美芳)

3.2 EAST第二次工程調(diào)試

EAST第二次工程調(diào)試開始于2006年7月25日，結(jié)束于當(dāng)年10月14日。相比第一次工程調(diào)試實(shí)驗(yàn)，主要有以下改進(jìn)：

(1)安裝了內(nèi)真空與外真空容器，可以進(jìn)行等離子體相關(guān)測試。

(2)12套PF線圈電源系統(tǒng)開始投入使用，并分別連接到各PF線圈?，F(xiàn)在每個(gè)PF線圈可以由固定的電源系統(tǒng)單獨(dú)供電。

(3)EAST絕緣性能已經(jīng)改善，線圈可以通更大的電流，勵(lì)磁和退磁速率也可以更高。

(4)進(jìn)一步改進(jìn)了低溫系統(tǒng)，可以把TF線圈溫度降低至3.8 K。

3.3 EAST第三次工程調(diào)試

從2006年12月20日至2007年2月11日，EAST進(jìn)行了第三輪工程調(diào)試實(shí)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了第二次等離子體放電測試。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

(1)室溫下和低溫下分別進(jìn)行了漏率測試，在室溫狀態(tài)下總漏率為10-3Pa·m3/s，其中冷屏在80 K時(shí)漏率為4.3×10-5Pa·m3/s，超導(dǎo)磁體在5 K時(shí)漏率為1.1×10-5Pa·m3/s，真空低溫容器在等離子體放電過程中漏率為3×10-5Pa·m3/s。

(2)把TF線圈電流引線更換為運(yùn)行更加穩(wěn)定的HTS電流引線。

(3)更好的絕緣性能，TF和PF線圈絕緣電阻在10 GΩ以上。改進(jìn)失超探測系統(tǒng)，可以獲取更準(zhǔn)確的失超探測電壓；使用補(bǔ)償線圈后，失超探測系統(tǒng)成功地屏蔽掉了PF線圈快速充放電引起的電磁干擾。

(4)進(jìn)行PF線圈交流損耗測試。當(dāng)PF線圈快速放電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致能量損耗，并分布在TF線圈、TF線圈盒和PF線圈自身上。通過比較線圈內(nèi)液氦冷卻劑的溫度和壓力變化，可以得出合適的勵(lì)磁和退磁速率。

2006年2月至2007年3月，EAST共進(jìn)行了三次工程調(diào)試和兩次等離子體測試， EAST各系統(tǒng)包括真空系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、磁體電源系統(tǒng)、失超探測與保護(hù)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、等離子體控制系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等均成功通過測試，所有測試結(jié)果表明EAST及其相關(guān)子系統(tǒng)的建造非常成功。

從建造完畢至2017年8月，EAST共進(jìn)行了75 712次放電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中獲取了大量等離子體相關(guān)參數(shù)，等離子體控制技術(shù)也日漸成熟。其中最高紀(jì)錄是在高約束模式下等離子體持續(xù)達(dá)到100 s，這是一個(gè)新的世界紀(jì)錄，也是中國聚變工程的里程碑。

(2017年9月11日收稿)■

參考文獻(xiàn)

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