2003 进展

SUNISTSUNIST

SUNIST- Sino UNIted Spherical Tokamak

SUNIST 球形托卡马克装置

何也熙清华大学工程物理系

中国科学院物理研究所2004 年 1 月

主要内容

UNISTUNISTSUNISTSUNIST

球形托卡马克简介

装置概况

放电的主要进展

下一步计划与存在的问题

球形托卡马克简介

UNISTUNISTSUNISTSUNIST

概念的提出 1986 年美籍华裔科学家彭元凯教授提出PENG, Y-K M, STRICKLER, D J, Nuclear Fusion 26 (1986) 769

原理探索 CULHAM 的 START 于 1990’s 的实验（系卡拉姆自筹经费建设、运行装置）~40% 的总比压， H 模、高比压与高密度同时达到，高靴带电流比，没有等离子

体 电流大破裂，自然拉长的等离子体截面，具有好的稳定性等IAEA-CN-69/OV2/5 17th IAEA Fusion Energy Conference ， 1998

现有的装置 NSTX 兆安级 PPPLMAST 兆安级 CULHAMGLOBUS-M 半兆安 约飞PEGASUS 接近 1 的环径比 威斯康星大学TST-2 、 TS-4 百千安级 东京大学ETE 百千安级 巴西空间中心SUNIST 百千安级 清华大学、物理所HIT-II CHI 无加热场电流启动 华盛顿大学LATE ECR 无加热场启动 京都大学

下一步的计划 NSST ，研究、证实自持聚变反应。美能源部 20 年科学装置计划，优先级并列 18 。执行前提： NSTX 、 MAST 的实验进展如预期。将为聚变动力堆提供一新的选择。

球形托卡马克简介

UNISTUNISTSUNISTSUNIST

球型与传统托卡马克环径比的比较

装置概况 SUNIST 装置

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SUNIST 主要参数

大半径 R 0.3 m

小半径 a 0.23 m

环径比 A ~ 1.3

拉长比 κ ~ 1.6

环向场强 （ R0 ） BT ~ 0.15 T

等离子体电流 IP ~ 0.05 MA

BT 中心导体电流 IROD ~ 0.225 M

A

加热场磁通（双向） ΔΦ < 0.06 Vs

装置概况 SUNIST 装置 真空室

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SUNIST 真空室主要参数：

外径 1.2 m

内径 0.13 m

高 1.2 m

体积 ~ 1 m3

表面积 ~ 2.3 m2

真空获得： 主泵 : 涡轮分子泵维持泵 : 溅射钛泵

壁处理： 烘烤 : PTC （居里点 160 0C ）辉光放电，硅化

本底压力： ~ 6×10-5 Pa

装置概况 SUNIST 装置 设计磁面

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装置概况 SUNIST 装置 磁体

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SUNIST 磁体电源主要参数及互感

线圈匝数

电感（H ）

电阻（ m ）

电流（ kA ）

电压 / 电容 （ V/mF ）

环向场 24 508 4.72 9.38 200/1280 （ 2560 ）

加热场 236 519 17.8 13 3000/13.3

平衡场 26 684 15 1.5 1200/1, 120/470

电感（ H ） 加热场 平衡场 等离子体电流加热场 519

平衡场 124.3 684

等离子体电流 2.3 5.54 0.33

装置概况 控制和数据采集

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SUNIST 的控制系统

SUNIST 控制系统由工业 PC 、 ISA 接口的定时器、数字 I/0 、 A/D 转换卡构成，系统采用 MCGS 组态软件运行。控制对象包括三组磁体电源的充放电、电源的运行状态监视和联锁保护、诊断及相关系统的启动时序信号。加热场和垂直场的启动时刻调节精度（相对环向场）为 10 微秒。

SUNIST 数据采集

SUNIST 的数据采集系统有 32 个模数转换通道，最高采样时间 0.2微秒。CT-6B 的 32 通道采集系统也可供 SUNIST 使用。

装置概况 诊断

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SUNIST 的初期诊断

电磁探针： 2 组罗科夫斯基线圈、 9 个磁通环（ 4 个装在真空室内）、 15付两维小探针（ 13付位于同一极向截面）。

静电探针： 3 组可移动四探针。14 通道软 X线面垒二极管阵列。

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2002 年 11 月 4日，首次联合调试见到第一次等离子体放电。并意识

到影响放电的关键因素是平衡场电流波形的下降。

2003 年 3 月开始放电调试。认识到加热场、平衡场的耦合是造成平衡

场电流波形改变的原因。考虑从控制平衡场电流角度维持合适的电流波形。

因非典影响和需积累更多的技术储备考虑，拟分两步解决平衡场问题

。主动控制电流波形仍是努力目标，近期对平衡场放电回路进行重新调配。

2003 年 10 月，经过试验改变平衡场回路调配，解决了因耦合平衡场

电流变形，等离子体电流波形有了极大改进。开始第二轮以边界特性为主的实验。

2003 年 12 月，较大幅度调节、寻求更合适的运行参数。发现在一定

的等离子体电流范围，固定加热场，等离子体电流平顶随平衡场电流平顶升降；等离子体

电流平顶在没有外加付秒数情况下仍能维持一段时间。继续进行边界等离子体及 MHD 实

验。

放电的主要进展

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2002 年 11 月 4 日，首次联合调试放电。

等离子体电流 40kA

环向场强 600G

加热场电流 ~ 9kA

平衡场电流 ~800A

击穿环电压 ~ 7V

击穿延时 ~0.5ms

工作气体 氦

放电的主要进展 首次放电

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从 SUNIST 初期的放电调试看出加热场与垂直场的强耦合是当时影响等离子体放电平衡质量的根本障碍。

解决的措施：近期 调整平衡场电容器的容量及运行电压，在

与加热场耦合条件下，维持满足等离子体要求的平衡场回路电流上升率及平台，提供 2毫秒左右的等离子体电流平顶。

最终 与加热场双向放电改造同步，实现等离子体电流与平衡反馈控制，彻底解决这一问题。提供 10毫秒以上的电流平顶。

放电的主要进展 BOHM 与 BE耦合及改进

平衡场电容：

C1 从 1 mF/200

0 V 到 2 mF/1000

V

C2 从 0.5F/250V

到 18.8mF/450V

（ 4.7mF/900V ）

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左下图所示为 10 、 11 月期间 SUNIST 的较为典型的放电波形。与此前放电最大的不同是平衡场电流到顶后的下降被消除，可以较为任意的选择平衡场电流的上升和维持波形；等离子体电流环有了得到水平平衡位置的条件，不会在到顶后即刻下降；在相似加热场电流时，等离子体电流持续时间和顶宽都明显增加。

右下图是 12 月期间的典型放电波形。最突出的改善是加热场电流在等离子体电流的平顶段到顶，平衡场电流早已在平顶段，此时由外场提供的环电压应极小。

放电的主要进展 BOHM 与 BE耦合及改进

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放电的主要进展 SUNIST 放电的基本特点

现等离子体电流上升率达 50MA/s ，没有看到限制上升率的物理因素。在简单放电回路条件下，观察到等离子体电流先快上升、再慢上升到顶。

没有经历过等离子体电流的大破裂，小破裂及内部重连（ IRE ）现象有时发生。

一定电流幅值内，固定加热场电流，改变平衡场电流平顶， IP平顶随之改变。等离子体电流 平顶后期，加热场电流已到顶（没有伏秒数可提供），等离子体电流平顶仍可维持一段。

环向场约束电流效率很高。在至今的放电参数下增减环向场的作用不明显。

至今的实验中，大尺度变化径向位置，探针测量参数变化相对小；环向变化位置时，探针测量参数有较大变化。

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放电的主要进展 SUNIST 放电的基本特点平衡场电流扫描：环向场（ 185V 、 ~6.5kA ） 1kG ，加热场 （ 2.3kV ） ~10kA

VE 250/160 V 300/216 V 400/240V

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平衡条件改善后，可以感觉到真空室壁条件对放电质量有强的影响。经过放电和溅射钛泵的维持后，真空室中的 28 及 18质谱峰（水和一氧化碳）上升为主要剩余成分，而且很难被抽除， 44 有时也会有强上升。真空室尚有泄漏，钛泵长时间维持时可观察到有稳定的氩峰积累，其值与钛泵对氩的抽速和系统的漏率有关。 （右下图）

辉光放电清洗对于降低 28 、 18峰很有效 (见左中图 ) ，氦辉光效果似乎更突出，体现在放电重复和充气范围变宽。短时间（ 10 分左右）的辉光后，水分压会上升超过辉光前的值。较长时间的辉光放电对 18峰的降低效应更强。

放电的主要进展 真空室运行条件

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图为 04 年 1 月 13日首次在SUNIST上进行硅化的照片。

硅化条件为：时间 1 小时气体 氦 / 硅烷（ 8/2）气压 ~ 0.5 PaIGDC ~ 0.8 A

硅化后的真空室质谱

放电的主要进展 真空室壁硅化

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硅化后的典型放电如下图： 左—垂直场 C2 4.7 mF ，另三组—垂直场 C2 18.8mF

放电的主要进展 真空室壁硅化与放电

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SUNIST 装置硅化后放电次数还不多，无法总结其规律性。从少数放电显示出一些特点：

等离子体电流延长到磁通测量信号为零以后，这一现象在未硅化时仅在很低充气气压时看到。如不是因为加热场原边电流的下降，等离子体电流将维持更长的时间。

加大平衡场 C2容量后对提升电流后段有影响，适当的增加使得等离子体电流上升、平顶拉宽。

继续增大平衡场 C2 电压后，首次见到了 SUNIST 等离子体电流的破裂现象。原因可能是平衡场增大对等离子体截面的影响。

以上现象提示：

在加热场伏秒数用尽的情况下，平衡场的伏秒数贡献对等离子体电流有影响。因加热场电流下降的影响，对此刻等离子体电流的维持特性、平衡场的伏秒贡献等影响难以认识。

如采用加热场线圈放电形成等离子体电流，在加热场电流过零时切断加热场，将能充分研究等离子体电流在无加热场影响下继续维持的特性。

放电的主要进展 硅化后放电的特点

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实现加热场双边放电，有效增加等离子体电流平顶时间、增大电流调节范围。

实现等离子体电流和水平位置的反馈控制，彻底改善放电的可控制性。增加诊断手段。以利用 CT-6B 光谱测量的资源为主，加设一些辐射的时空

分布测量阵列，改善电磁测量，为等离子体控制和实验研究提供可靠的依据。继续等离子体 MHD 、边界涨落实验。开始利用 ECR 和电极放电进行无感应等离子体电流启动实验，实验平衡场

的伏秒在电流启动中的作用。改造真空室，使其可以进行同轴螺旋注入的无感应等离子体电流启动实验

。进行等离子体芯部涨落研究的准备。

下一步计划与存在的主要问题 下一步计划

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真空室的泄漏急待解决：现真空室存在两处泄漏，一是在一窗口颈管与真空室的焊接部位；另一是软 X线阵列长方法兰处。现均采取了临时措施予以补救，但在合适的时候要进行彻底处理。

目前加热场小补偿线圈的位置需向两端移动 30毫米左右，使得被其挡住的四个长窗口能发挥作用。需要判断对加热场杂散场位形的影响。

加热场放电声音逐渐加大，需要判断声音来源、能否处理及是否会影响增大加热场电流或加热场线圈寿命。

平衡场产生的水平杂散场可能上下不对称，这一现象对等离子体电流产生和建立过程会有影响。要判断有无这一现象并采取措施。

SUNIST 等离子体实验研究和一些等离子体必需的特征参数诊断需要得到专业研究所及有经验研究人员的参与和支持。

需要得到稳定运行条件的支持。

下一步计划与存在的主要问题 主要问题

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经过近三年的建设和一年的调试， SUNIST 球形托卡马克装置已经进入了可以进行初步实验研究的良好状态。

初步感觉到了球形托卡马克等离子体放电特点。包括：等离子体电流上升率很高、没有经历过等离子体电流大破裂、在宽的平衡场电流范围具有良好的等离子体电流自组织特性、在合适的平衡条件下对杂散场、真空条件的要求较宽容等。

装置的运行条件有了很大提高、改善。真空条件基本满足小装置放电的要求；平衡条件有了较大改善，能够得到较为完善的等离子体电流平衡条件。但改善实验条件和参数、提高装置运行、实验水平任务依然是下一年的主要任务之一。

初步进行了边界湍流和等离子体 MHD 行为实验，不同条件的实验结果有待比对、分析研究。

得到各方同行的广泛支持是取得至今进展的重要条件，今后的 SUNIST各方面工作希望能够继续得到大家更密切的参与和更多的支持。希望大家共同关注这一有希望的磁约束位形研究的进展，我们愿尽绵薄之力为大家、为我们共同的事业创造尽量好的实验研究条件。

总结

SUNIST 球形托卡马克 2003 进展

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谢 谢