超導托卡馬克

中國科學院電漿物理研究所是我國核聚變研究的重要基地，主要從事高溫電漿物理、受控熱核聚變技術的研究以及相關高技術的開發研究工作。擔負著國家核聚變大科學工程的建設和研究任務。八十年代建成HT-6B、HT-6M、MPTX、磁鏡等一批有影響的聚變研究實驗裝置。

基本介紹

• 中文名：超導托卡馬克
• 來源：中國科學院電漿物理研究所
• 從事：高溫電漿物理等研究
• 特點：極向場的穩態供電及控制等
• 退役時間：2013年5月7日

HT-7超導托卡馬克簡介

中國科學院電漿物理研究所是我國核聚變研究的重要基地，主要從事高溫電漿物理、受控熱核聚變技術的研究以及相關高技術的開發研究工作。擔負著國家核聚變大科學工程的建設和研究任務。八十年代建成HT-6B、HT-6M、MPTX、磁鏡等一批有影響的聚變研究實驗裝置。進入九十年代，又成功地建成我國第一個超導托卡馬克HT-7實驗裝置，使我國成為繼俄、法、日之後第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家，為我國的核聚變研究進入世界核聚變前沿打下了堅實的基礎。電漿所承擔了國家八六三高技術發展計畫、國家計委重大科技攻關項目，國防科工委預研項目、國家基金委和科學院重大、重點等多項研究任務，是世界實驗室在我國設立的核聚變研究中心，是第三世界科學院優秀研究中心。

九十年代初，電漿所利用前蘇聯贈送的原價值約1500萬美元的T-7裝置進行大幅度改造，使其成為研究性能不僅更加先進，而且更加完善的我國第一個超導托卡馬克---HT-7。其主要研究目標是，獲得並研究長脈衝或準穩態高溫電漿，並檢驗和發展與其相關的工程技術，為未來穩態先進托卡馬克聚變堆提供工程技術和物理基礎。

經過三年半的努力，已全部按新設計要求完成任務。94年12月至95年3月成功地進行了HT-7首次工程聯調，94年12月28日得到首次電漿。迄今，已成功地進行了十幾輪實驗運行，取得了多項工程和物理上的重要成果。HT-7的建設和投入運行將使我國的核聚變研究跨上一個新台階，躋身於世界核聚變研究的前沿。為我國和世界核聚變研究事業作出重要的直接貢獻。同時也使我國成為繼俄、法、日之後擁有超導托卡馬克的幾個少數國家之一。並使我國的聚變電漿物理研究進入世界前列。1998年國務院科教領導小組批准了國家“九五”重大科學工程HT-7U的立項，HT-7也部分承擔下一代裝置HT-7U的前期實驗任務。

2013年5月7日，中國科學院電漿物理研究所宣布HT-7超導托卡馬克裝置正式退役。於2007年3月建成的世界首個全超導托卡馬克裝置“EAST東方超環”將替代HT-7，承擔起下一階段的科研任務。

HT-7實驗系統

HT-7是一個寵大的實驗系統，它包括HT-7超導托卡馬克裝置本體，大型超高真空系統，大型計算機控制和數據採集處理系統，大型高功率脈衝電源及其迴路系統，全國規模最大的低溫液氦系統，兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱系統，以及數十種複雜的診斷測量系統。幾年來， HT-7超導托卡馬克裝置經過不斷的改造，成功地進行了十幾輪實驗運行，取得若干具有國際影響的重大科研成果。為了實現HT-7超導托卡馬克裝置的高功率、穩態運行，2001年，科技人員對HT-7的實驗系統進行了數項重大改進，在工程上向著

高參數穩態運行

邁出了一大步：

1）極向場的穩態供電及控制；

2）利用釩鋼實現穩態條件下縱場波紋度的大幅度改善；

3）1MW穩態低雜波電流驅動系統；

4）高性能水冷石墨限制器及粒子排除系統；

5）新型射頻天饋系統；

6）海量數據實時與連續採集系統；

7）數項先進電漿診斷系統。

在物理上，HT-7緊緊圍繞穩態高約束電漿運行這一當今世界磁約束聚變最具挑戰性的前沿課題展開全面深入地研究。為達到這個目的所

開展的實驗

如下：

1）低雜波電流驅動及改善約束；

2）離子伯恩斯坦波加熱及改善約束；

3）邊界湍流及輸運研究；

4）電漿參數精細分布控制；

5）先進壁處理；

6）穩態運行及控制。

隨著物理實驗的不斷深入，2001年冬季實驗又獲重大進展，創造了許多令世人矚目的

研究成果

1）實現了在低雜波驅動下電子溫度超過五百萬度、中心密度大於1.0×1019m-3、長達20秒可重複的高溫電漿放電；

2）實現大於10秒、電子溫度超過一千萬度、中心密度大於1.0×1019m-3的高參數電漿放電，這是世界上第二個放電長度達到1000倍能量約束時間高參數準穩態電漿；

3）在離子伯恩斯波和低雜波協同作用下，實現放電脈衝長度大於100倍能量約束時間、電子溫度二千萬度的高約束穩態運行；

4）最高電子溫度超過三千萬度。

迄今，HT-7超導托卡馬克達到的

主要物理和技術指標

1）電漿參數：放電時間20秒，電子溫度 >3000萬度，電子密度6.5X1019m-3 ，電漿電流240仟安；

2）裝置運行參數：磁場強度2.2特斯拉，本底真空4×10-6Pa,儲能≤10仟焦；

3）低雜波系統指標：最大注入功率700仟瓦，環電壓降至0，並向變壓器反充電；

4）離子迴旋波加熱和IBW指標：最大注入功率330仟瓦,電漿電子溫度和離子溫度明顯升高；

5）電漿和壁相互作用：RF清洗及RF硼化和矽化效果明顯，有效Zeff接近1；

6）診斷技術及所達指標：總診斷35種，400多路診斷信號；

7）加料技術：彈丸注入和IBW協同實驗，發現芯部約束改善；Laval噴嘴實驗已取得初步結果；

8）電漿控制：多變數控制，電漿電流、位移反饋，實現電漿參數靈活調節，較高放電重複率。

以上指標充分說明，HT-7超導托卡馬克裝置已步入世界上為數不多的可進行高參數穩態條件下電漿物理研究的先進裝置行列。

HT-7在未來幾年裡，

預計達到的目標

1）向更高參數衝擊，在2-3年內奠定HT-7在國際受控界不可取代的地位；

2）全面開展國家九五大科學工程“HT-7U”托卡馬克的先行實驗。

力爭進入世界托卡馬克五大裝置，完成在穩態先進運行領域不可取代（前兩名）地位。

擬進行的物理研究內容如下：

通過實驗計畫的科學實施可在以下方面達到國際領先水平，做出突破性貢獻。建立有創新性和適合國家能源體系的 “穩態、先進模式”的

科學基礎

1）穩態模式的研究：在HT-7超導托卡馬克上實現30秒級的電漿，存在時間約為能量約束時間的2000倍，電漿各項參數均達到穩態。研究電漿電流密度和參數分布的馳豫過程。

2）高約束模式的研究：在100倍於能量約束時間的尺度，利用低雜波，射頻波及兩波的協同和其它實驗手段（如加料方式，MHD抑制等）控制電流和壓強分布參數，實現先進的，自洽的高約束電漿。提高能量約束時間（1-2倍）和電子溫度（>五千萬度）。

3）高磁比壓和運行極限的研究：實現具有約束改善的兆瓦級功率電流驅動和加熱，研究高磁比壓（高b N）條件下電漿穩定性。

4）加料、排灰、排熱研究：研究準穩態條件下（100倍於粒子循環時間尺度）電漿邊界行為和粒子再循環，實現加料、排灰、排熱的控制，使電漿密度和壁的再循環達到穩態。

（汪舒婭供稿/02年11月）

此網頁最近更新於02年11月19日 。

“九五”國家重大科學工程項目

“HT-7U超導托卡馬克裝置建設”介紹

HT- 7U超導托卡馬克以其具有低溫超導的縱場磁體系統和極向場超導磁體系統而受到國內外聚變界的廣泛關注。我們電漿物理研究所的全體員工為我們所能承擔這樣一個國家級的重大科學研究工程項目而感到無比榮幸，為使我所廣大科研人員特別是未能直接承擔這個科研任務的同志們能較為全面的了解該科研項目的情況，進而也為完成該項目獻計獻策，特在此簡要介紹有關該項目的立項、預研、設計等情況。我們非常歡迎所內外的廣大科研人員都來關心、關注HT-7U工程項目的設計和建造，為順利完成這一重大科學工程項目而努力。

HT-7U項目的來由和立項情況

近年來，我國的核聚變研究伴隨著全面改革開放和國家的綜合國力的增強從而對科學技術研究及教育投入的逐步增加而得到長足的發展，多年來陸續建成的一批核聚變實驗研究裝置都取得了極好的實驗研究成果。其中建在我所的HT-7超導托卡馬克尤其以其具有低溫超導縱場磁體系統而倍受國內外聚變界的關注。為了更進一步發展、推進我國的聚變科學研究事業，探索非圓、大拉長截面、穩態的電漿實驗控制技術，更深入研究全低溫超導托卡馬克實驗裝置的設計、建造和實驗技術，從而全面掌握托卡馬克類核聚變實驗裝置各種技術，我所在HT-7投入運行並取得良好實驗結果的同時，適時提出建造HT-7的升級裝置“HT-7U全超導托卡馬克裝置”的計畫。所謂全超導意為構成托卡馬克裝置的全部縱場系統和極向場系統都採用低溫超導磁體組成。這個計畫得到了世界聚變科學研究專家們的極大支持，我所為該計畫的順利實現作了大量的先期預研和設計計算工作。

下面簡要回顧一下HT-7U全超導托卡馬克裝置的立項歷程：

1993年10月，以歐共體聚變部名譽主任帕侖布教授為首的來自國際上各大核聚變實驗室的12位著名聚變科學家，對我所當時正在建設的HT-7超導托卡馬克裝置和中國科學院電漿所的聚變研究發展戰略進行了評議。這是我所第一次提出分三階段實施聚變科學研究的計畫。

1994年底，科學院基礎局邀請了6位兩院院士和8位專家在合肥召開了“HT-7U超導托卡馬克計畫座談會”，這是HT-7U計畫首次較正式提出。

1996年初，部分兩院院士在京西賓館對“九五”國家重大科學工程項目進行初步評估，HT-7U裝置建設第一次得到國家級專家的贊同並被列入前十位項目中。

1997年6月，國家科技領導小組批准中國科學院關於“HT-7U大科學工程項目立項”的申請，該項目正式進入國家重大科學工程項目的立項操作程式。

1997年10月，由國家計委委託中國科學院主持召開“HT-7U工程項目建議書專家評估會”；該項目的建設方案和計畫獲得與會專家的好評。

1998年4月，正式通過國家計畫發展委員會委託中國國際工程諮詢公司主持召開的“HT-7U工程項目建議書專家評估會”的評估論證，這表明該項目的科學目標和技術參數及方案都得到專家們的讚許。

1998年7月，國家發展計畫委員會正式批覆“HT-7U工程項目建議書”（批文中同意“由中科院電漿所承擔建設”，“具有超導縱場和極向場線圈，具有D形非圓截面，包括托卡馬克、低溫致冷等9個子系統”。批文規定“在2003年6月完成建設工作並進行鑑定驗收。項目總投資控制在1.65億元”）

1998年10月，HT-7U工程項目可行性研究報告在北京獲得中國科學院基建局主持的專家評估會一致通過，至此，該項目的設計方案和工程經費基本確定，國家發展計畫委員會和財政部依此撥出專項經費。

HT-7U項目的科學目標

受控熱核聚變的實驗和研究，經過50多年核聚變界科學家們的不懈努力，終於在常規Tokamak類型的裝置上取得了突破性的進展。但是按照常規托卡馬克裝置建堆，不僅體積大、效率低，而且是脈衝運行。但是，一個經濟實用的商用堆必須是高效、緊湊和穩態運行的。超導托卡馬克正是在這一點有著極大的優勢，即可以穩態運行。如果在超導托卡馬克上實現了穩態運行又在穩態運行條件下大大改善了約束，則將為未來穩態、先進聚變反應堆奠定工程技術和物理基礎，意義十分重大。

HT-7U不僅是一個全超導托卡馬克而且具有會改善電漿約束狀況的大拉長非圓截面的電漿位形，它的建成將使我國在2003年左右成為世界上少數幾個擁有這種類型超導托卡馬克裝置的國家，從而使我國磁約束核聚變研究進入世界前沿。在裝置建成後的10~15年期間，能在裝置上對建造穩態先進的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問題開展探索性的實驗研究。HT- 7U的建成將使中國在人類開發清潔而又無限的核聚變能的領域內做出自己應有的重大貢獻。因此，HT-7U的建造具有十分重大的科學意義。

本項國家級重大科學工程的主要工程目標是必須建設：

可穩態運行的超導托卡馬克HT-7U裝置主機，該實驗裝置應達到如下主要設計參數：

超導縱場場強BT = 3.5T

電漿大半徑R = 1.78m

電漿小半徑a = 0.4m

電漿拉長比K = b/a = 1.6 ~ 2

加熱場最大磁通變化能力△Φ = (8-10)V-S

電漿電流IP = 1 MA

可穩態運行的低混雜波驅動電漿電流系統（LHCD），該系統主要工程參數應達到：

總 功 率 P = 3.5 MW

工作頻率 f0 = 2.45 GHz，3.7 GHz

可連續運行的離子迴旋波加熱系統(ECRF)，該系統主要工程參數應達到：

總 功 率 P = 3 ~ 3.5 MW

工作頻率 f0 = 30 ~ 110 MHz

可保證HT-7U基本運行和實驗的其它工程系統：如低溫、診斷、電源、真空、計算機控制、數據採集和處理、水冷系統等，這些子系統的也都毫無疑問必須滿足HT- 7U超導托卡馬克裝置穩態運行的要求。

HT-7U不是一個聚變堆，它是針對目前建造托卡馬克核聚變堆尚存在的前沿性物理問題，進行探索性的實驗研究，為未來穩態、安全、高效的先進商業聚變堆提供物理和工程技術基礎。

HT-7U項目的有關組織管理機構

HT-7U項目的最高管理機構是由中國科學院任命的“HT- 7U項目管理委員會”，中國科學院副院長白春禮任管委會主任，安徽省常務副省長汪洋任副主任，組成人員有中國科學院秘書長竺玄、副秘書長錢文藻、計財局長顧文琪、基建局長薛鐘靈、基礎局長金鐸和合肥分院院長王紹虎以及國家發展計畫委員會一人、科學技術部一人。

HT-7U項目完全按照國家基建項目實施總經理負責制的組織管理，中國科學院任命的工程指揮部組成人員如下：

萬元熙為項目總經理（項目法人），翁佩德、謝紀康、李建剛任副總經理，

翁佩德兼任總工程師；

王孔嘉任總經濟師；

高大明任總工藝師。

中國科學院還任命了HT-7U項目科技委員會的組成人員，趙仁愷院士任科技委員會主任，徐至展院士、嚴陸光院士和石秉仁研究員任任副主任，組成人員有阮可強院士、賀賢土院士、趙凱華教授、余昌旋教授、舒炎泰教授、陸全康教授和我所的邱勵儉研究員。

為便於切實抓緊、抓好HT-7U項目的建設工作和有關改項目的各項管理工作，所領導決定：

1、設立HT-7U項目總經理辦公會來協調、決定有關HT-7U項目的重大管理方面的決策；

2、成立HT-7U工程總體組(副總工程師、副總工藝師、副總經濟師等組成）；任命了各分項技術負責人，設立由以上人員組成的總工程師辦公會議來研究、解決HT-7U工程建設中的有關設計方案和實施方案方面的重要技術問題；還設立了依邱勵儉為首王紹華、季幼章、許家治等參加的工程顧問組。

工程總體組及各分項技術負責人如下：

副總工程師： 武松濤（主機設計)

畢延芳(低溫系統、超導導體)

高秉鈞 (超導實驗)

李建剛（第一壁及真空系統）

劉正之（電源及控制）

副總工藝師： 王永誠、 孫世洪

副總經濟師： 黃貴、 薑桂萍

總控制、數采及處理系統 羅家融

真空抽充氣及加料、第一壁處理等 辜學茂

水冷系統（包括去離子水冷卻系統） 張祥勤

電網設計及供電系統 孫世洪、周士國

診斷系統 萬寶年

基建（包括冷、暖） 孫世洪

環保分析及安全監控 吳宜燦

LHCD系統 匡光力

ICRH系統 趙燕平

ECRH系統 劉保華

我所目前已介入HT-7U項目建設工作的科研人員大約有近200人，主要有一室和三室的全部人員，二室、五室、六室、七室、八室、十室、十一室、技術中心和研製中心以及管理部門的部分人員。

目前，HT-7U項目的所有設計人員都實行嚴格的崗位責任制，發放崗績津貼，全所上下都對於HT-7U項目的設計和研製傾注了滿腔熱情，提供了各方面的支持。

HT- 7U項目的設計、研製進展

在所領導和HT-7U工程指揮部的強有力的領導下，在所有參加HT-7U項目的設計和預研工作的同志們的共同努力下（其中也包括有所外的有關工廠和研究部門的大力協作），HT-7U項目的工程設計和預研已經取得了多方面的進展，我們在此簡要介紹如下：

1、HT-7U裝置超導磁體所使用的CICC超導導體的研製取得了重大進展，裝置設計室在合肥電纜廠和西北有色金屬研究院等工業部門的協作下，順利研製出一根長度為200米的模擬CICC導體和兩根總長為600米的全尺寸CICC超導導體，這是我國第一次研製出大電流的低溫超導導體，繼以上的包管焊管制造CICC超導導體後，裝置設計室又在合肥電纜廠和所研製中心的協作下，順利研製出穿管制作的CICC超導導體，這為降低CICC超導導體的造價和減小製造的技術難度起到了決定性的作用。

2、所研製中心已經成功地研製出專用於HT- 7U裝置CICC超導導體繞制的繞線機，並且已經使用該繞線機和模擬CICC導體繞制出2:3尺寸的D形縱場模擬雙餅工藝試驗磁體，這標誌著我所研製中心具備了繞制具有較高精度的複雜D形磁體的加工能力。

3、裝置主機設計方案初步完成，其中超導縱場系統已經按兩種超導導體的方案進行了技術方案設計，即基於採用美國SSC電纜的浸泡式超導磁體方案和基於CICC導體的迫流內冷超導磁體方案；極向場電磁參數特別是加熱場參數的最佳化設計計算取得了比較好的設計計算結果；真空室、內外冷屏、外真空室以及裝置的支撐結構等方案也已初步確定，現正在進行有關的工程設計和工藝技術方面的調研、討論。

4、裝置設計室完成極向場中心螺管模擬線圈的設計，目前正在所研製中心利用自行研製的兩根總長為600米的CICC超導導體進行繞制，這將是我國的第一個大電流低溫超導磁體。

在進行並完成以上工作的同時，為確保HT-7U裝置設計既具有參數先進又穩妥可靠，有選擇地將有關的設計工作作為國際合作項目徵求國外專家的意見，其中對於裝置的總體設計參數和裝置的工程方案設計已經召開了有世界核聚變領域的著名專家參加的國際討論會。與有著豐富超導托卡馬克設計製造經驗的俄羅斯庫爾恰托夫研究院核聚變所和葉夫列莫夫所開展了較為廣泛的合作，對有關的設計計算參數、電磁場分析計算、電漿的平衡位形設計計算、傳熱和超導移能等進行了分析校核。關於裝置的極向場物理設計和電漿平衡位形的設計計算方面還與美國GA開展了合作，用美國的程式對HT-7U的設計計算進行了進一步的校核。

目前，除各子系統都在進行緊張的擴大初步設計外，有關的研製工作也在緊張進行中。主要有：

1、通過國際合作，對已經研製出的CICC超導導體進行超導性能方面的綜合測試試驗，以便為CICC超導導體的最終設計提高必要的數據，也為我們自己建立超導導體、超導磁體測試實驗室提供借鑑和經驗。該項工作今年必須完成。

2、裝置設計室完成了低溫超導試驗所必需的試驗大杜瓦的設計，目前正在進行加工製造的詢標、議標工作，今年力爭基本完成加工並進行組裝調試。

3、中心螺管模型磁體必須完成繞制、絕緣處理等全部製造工序，裝置設計室完成的大電流的CICC超導導體的接頭的研製必須在上半年完成，以便確定模型磁體所採用的超導導體接頭形式。

4、單根長度達600米的CICC超導導體穿管生產線今年完成建造，進行試製生產。

全部的裝置設計資料、參考資料、設計計算報告等技術資料都已經在總師辦歸檔保存，已經可以從網路上查閱資料名稱，也可以很方便地去總師辦借閱。有關項目的檔案和技術契約、合作協定類資料在項目辦公室保存。

HT- 7U項目的有關技術難點

承擔“HT-7U超導托卡馬克裝置建設”項目是對我所的核聚變實驗裝置工程設計能力和技術加工能力以及超導托卡馬克裝置運行實驗的檢驗和挑戰，應該看到儘管我所有著一定的托卡馬克設計、製造、運行和控制的經驗，但對於HT-7U超導托卡馬克裝置這樣的全超導托卡馬克裝置，非但是我們所，即便是世界上的核聚變大國(美國、西歐、日本、法國、俄羅斯等)，也都未曾有這樣的經歷和經驗，所以，可以毫不誇張地說HT-7U超導托卡馬克裝置的建成之日，也一定是我國進入世界核聚變研究大國的行列之日。

正因為如此，HT-7U超導托卡馬克裝置的設計建造以及實驗運行是必然的給我們帶來了巨大的挑戰，我們必須對此有一個清醒的認識。其中最為核心的具有挑戰性的工程技術方面的難點有：

HT-7U裝置所使用的CICC超導導體的設計、研製和試驗測試技術；

較大電流變化、較高磁場變化的超導極向場磁體的設計、製造和試驗測試及實驗運行技術；

非圓、大拉長截面、穩態的電漿控制技術；

從HT-7U超導托卡馬克裝置建設的立項可以看出，我國的核聚變科學研究工作已經得到國家的大力支持，該項科學研究已經有著廣泛的國際合作的基礎。隨著我國綜合國力的提高，相信國家對聚變研究的支持強度肯定會不斷增加，在此基礎上，中國開發聚變能的研究一定會進入世界先進行列並為人類社會的可持續發展做出重大貢獻。

努力做好我們的工作，把HT-7U裝置早日建成，為把我國建成科技強國而奮鬥,為我國的技術進步而努力。

附HT-7U項目一級課題一覽表

：

課題號

課題名

負責人

U1010000

主機設計

武松濤

U1020000

低溫系統

畢延芳

U1030000

電源系統

劉正之

U1040000

真空系統

辜學茂

U1050000

超導實驗

高秉鈞

U1060000

第一壁材料

李建剛

U1070000

環保與防護

吳宜燦

U2010000

物理設計

虞清泉

U2020000

低混雜波

匡光力

U2030000

離子迴旋波

趙燕平

U2040000

數采

羅家融

U2050000

控制

羅家融

U2060000

診斷

萬寶年

U2070000

電子迴旋波

劉保華

U3010000

高大明

U3020000

孫世洪

U3030000

孫世洪

U3040000

水冷系統

張祥勤

U3050000

高大明

U3060000

高大明

U4010000

王孔嘉

U4020000

王孔嘉

U4030000

翁佩德

U4040000

王孔嘉

U4050000

王孔嘉

U4060000

高大明

U4070000

王孔嘉