聚变与等离子体研究所

  该机组原根据美国电网（12kV/60Hz）设计，额定转速为713转/分，目前在中国电网(10kV/50Hz)下运行转速只有598转/分，储能约为原来的70%。为解决脉冲发电机组储能不足的问题，对脉冲发电机组进行升速改造，结合脉冲发电机组原动机为绕线式转子异步电动机的结构特点，研制了100MVA脉冲发电机组双馈调速系统，将机组转速提高到原设计转速，使其储能达到额定水平，保障装置能开展高参数等离子体物理实验和偏滤器位形等离子体物理实验。

  J-TEXT托卡马克装置有五套磁体线圈，包括纵场磁体，加热场磁体，垂直场磁体，水平场磁体，偏滤器磁体。为满足J-TEXT装置放电的需要，必须为装置磁体线圈设计相应的电源系统及电源控制管理系统，五套磁体线圈电源系统的运行参数设计如表1所示。

  纵场电源系统的基本功能是给纵场线圈供电以产生环向磁场。纵场电源采用100MW脉冲发电机组供电，整流部分由两组十二脉波整流器并联构成，将发电机组输出的交流电整流成直流，经母排给纵场磁体线圈供电，其电路结构如图1所示。

  加热场电源系统的基本功能是产生、 驱动、 加热和维持等离子体。 加热场电源系统由五种相关的电源并联而成，包括加热场整流器， 预磁电源整流器及其电容器，四组电容器柜，一组离子化电容器，还有一组旁通回路，其系统结构如图2所示。

  加热场整流器电路结构如图3所示，作用是在等离子体电流产生以后，加热场整流驱动和维持等离子体运行。预磁电源的最大的作用是给加热场线圈提供反向的电流，使托卡马克装置的铁芯磁通反转。电容器柜的作用是在真空室内工作气体电离以后，迅速给加热场线圈供电，以建立等离子体电流。离子化电容器的作用是将真空室内工作气体电离。旁通回路的作用是在故障时将加热场线圈储能释放，以免产生过电压损坏电源设备和破坏线圈绝缘。

  垂直场系统的基本功能是控制等离子体的水平位移，水平场系统的基本功能是控制等离子体的垂直位移，它们的系统结构如图4所示。其中垂直场电源和水平场电源结构如图5所示，垂直场电源由两组六脉波整流器通过平波电抗器并联构成一组十二脉波整流器；水平场电源由两组十二脉波整流器反向并联而成，分别输出正向电流和负向电流。

  要实现核聚变必须将等离子体加热到10 keV以上，欧姆加热等常规的加热方式远远无法将等离子体加热到点火温度，因此一定要采用辅助加热手段。大功率直流高压电源是聚变装置辅助加热系统的关键组成部件，直接影响辅助加热的功率和效率。常规高压电源不足以满足辅助加热系统供电电压高、连续可调、功率大、精度高、超调小、保护迅速可靠等要求，因此非常有必要根据聚变辅助加热系统的需求研究相关的高压电源技术。

  针对J-TEXT装置ECRH系统对高压电源的要求，开展了100 kV脉冲阶梯调制（Pulse Step Modulation，PSM）高压电源有关技术的研究，并研制了一套100 kV/60 A PSM高压电源系统。主要研究内容包括：

  经测试，PSM高压电源系统的输出参数达到设计的基本要求，电源系统运行良好，而且响应速度快、保护时间短，可满足J-TEXT装置ECRH系统的技术要求。

  针对ITER及未来聚变堆NBI系统对高压电源的要求，拟开展MV级高压电源有关技术的研究，并研制一套200 kV单级高压电源系统样机。主要研究内容包括：

  托卡马克聚变电源系统由多套子电源系统的组成，在其运行时需要开关装置完成电源的负载切换、保护开断等功能，其需要满足长寿命、高可靠性及高功率等级等要求，由于当前的电力电子开关电压、电流等级较低，因此必须研究大功率电力电子器件级联技术以满足开关的高电压、大电流等性能需求。针对提高大功率半导体器件级联的电压、电流等级这一核心问题，本实验室开展大功率电力电子器件级联技术探讨研究，并在此基础上设计制造符合现代高性能托卡马克的多套辅助加热系统的负载切换开关、短路保护开关等。这一研究对于保证托卡马克装置辅助加热系统的正常运行具备极其重大意义，同时该项技术也可用于直流输电、大功率电力电子装置等。

  针对目前状况，本研究开展了“大功率电力电子器件级联技术”研究。具体包括以下内容：

  磁约束聚变装置（如托卡马克）是一个复杂的电磁装置。磁场是磁约束聚变的核心，必然的联系着等离子体的稳定性和约束性能。聚变磁场位形由多个磁体及等离子体电流的磁场叠加而得，位形复杂，以托卡马克为例，磁体主要包含纵场磁体、中心螺管、极向场磁体、偏滤器等，所产生的磁场与等离子体电流磁场叠加形成环向和极向分别螺旋的约束位形。磁场位形对精度要求高，磁体的加工安装误差及磁体引线所产生的误差磁场要求至少小于平衡磁场的万分之一。

  为了研究等离子体在外加扰动磁场下的行为，并利用扰动场控制等离子体不稳定性，我们应该在等离子体周围设计安装扰动磁场线圈。此线圈往往要安设在真空室内部，运行频率要达到几kHz，工作电流达到几kA

  X射线等设备，工作频率覆盖范围宽，同时系统尺寸大，设备间容易相互干扰，电磁兼容性问题显得很突出。