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HT-7工程进展

 为使我国核聚变研究在较短时间内达到国际先进水平,等离子体所走国际合作之路,引进、消化、吸收国际先进技术并进行创新。1991年,等离子体所和俄罗斯库尔恰托夫科学中心核聚变研究所签订合作协议(右图)。在俄罗斯专家的配合下,用三年多的时间,对从俄罗斯库尔恰托夫科学中心核聚变研究所引进的T-7超导托卡马克装置(原价值约1500万美元)及其低温系统进行了根本性改造,使其成为研究性能更加先进、更加完善的我国第一个超导托卡马克---HT-7。其主要研究目标是,获得并研究长脉冲或准稳态高温等离子体,并检验和发展与其相关的工程技术,为未来稳态先进托卡马克聚变堆提供工程技术和物理基础。HT-7的建设得到俄、美、欧盟的机构、专家大力支持。世界聚变研究最具权威的俄罗斯国家研究中心卡多姆采夫教授,成为装置建设的“经常性技术指导”。欧洲联合聚变研究所副所长吉布森博士、美国马里兰州大学刘全生教授等均对HT-7予以高度关注。

1994年5月,全新的HT-7超导托卡马克装置建成,它已经成为一个宠大的实验系统,包括超导托卡马克装置本体、大型超高真空系统、大型计算机控制和数据采集处理系统、大型高功率脉冲电源及其回路系统、全国规模最大的低温氦制冷系统、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统以及数十种复杂的诊断测量系统。同年7月,HT-7超导调试一次就获得成功。

1994年12月28日,HT-7首次得到等离子体。HT-7的建设和投入运行使我国的核聚变研究跨上一个新台阶,跻身于世界核聚变研究的前沿,为我国和世界核聚变研究事业作出重要的直接贡献。同时也使我国成为继俄、法、日之后拥有超导托卡马克的几个少数国家之一。1994年底,等离子所与欧盟聚变研究中心合作,研究离子回旋加热并进入国际前沿;和日本国科学家一起,在双方的装置上共同实验,在离子体诊断、数据采集等方面取得大量成果。

1995年3月9日,HT-7召开了工程联调成功庆祝会(右图)。HT-7等离子体峰值电流已达135kA,持续时间大于200ms。

1997年,欧美科学家赠送研究经费及设备,参与改进装置,参加实验。

1998年4月10日,HT-7开始新一轮实验。HT-7的真空室内部结构,极向场控制、低温系统、波加热波驱动系统都作了改进,增加了新的诊断项目。本轮实验的目标是:极向场控制改进后的OH重复放电实验、约束改善实验、长脉冲LHCD实验。本轮实验期间,中美两国科研人员奋战1个月共安装了9种美国和中国的高技术诊断设备,为深入开展物理研究提供了良好的条件。

1999年,中俄合作研制了达到国际先进水平的快速扫描电子回旋辐射测量系统和汤姆逊散射系统。

1999年12月30日,中科院等离子体物理研究所HT-7超导托卡实验取得新突破:获得稳定可重复的准稳态等离子体,等离子体放电时间长达10.71秒。据悉,这次等离子体放电时间超过10秒是我国的最新记录,而且它可以演示超过等离子体能量、粒子等多种特征时间100倍以上的准稳态等离子体过程,标志着我国磁约束核聚变研究的综合实力和科学技术达到了国际水平。

2000年,HT-7实验放电时间超过10秒,标志我国在这重大基础理论研究领域中进入世界先进行列。

2001年,美国德克萨斯大学将一套电子回旋诊断测量系统赠送给等离子体所HT-7实验。

2001年11月30日,HT-7实现了等离子体电流>100仟安、电子密度>1.0×1019m-3、5秒的长脉冲放电。

2002年1月,HT-7再次获得重大突破,实现了在低杂波驱动下电子温度超过500万摄氏度、中心密度大于每立方米1.0×1019、长达20秒可重复的高温等离子体放电;实现了电子温度超过1000万摄氏度、中心密度大于每立方米1.2×1019、超过10秒的高参数等离子体放电。在离子伯恩斯波和低杂波协同作用下,实现放电脉冲长度大于100信能己约束时间、电子温度2000万摄氏度的高约束稳态运行;最高电子温度超过3000万摄氏度。从总体宏观参数上比较,HT-7已经超过体积大于HT-7三倍的俄国T-10超导托卡马克,在稳态高约束运行长度上已达到世界领先水平。本轮实验有来自美、日等14个研究机构的18位外籍专家参与。

2002年7月30日,中科院知识创新工程重要方向项目“HT-7上MW级加热功率和千电子伏温度的等离子体获得与关键课题研究”通过验收。验收组听取了项目汇报,查阅了有关的技术资料,并进行了认真审核和讨论,形成如下验收意见:项目承担单位的五个课题组按照计划任务书的内容,圆满完成了项目预期的目标和任务:HT-7装置实验获重大进展,取得了一批具有国际先进水平的研究成果;KT-5C、CT-6B装置做出了有自己特色的实验结果;等离子体理论和计算和实验紧密结合,完成了多项理论分析、数值模拟及程序移植;聚变驱动次临界清洁核能系统(FDS)研究成绩显著,成功引进或开发移植大型计算和设计软件,为进一步的研究打下了坚实的基础。该项目的实施,有力地促进了我国聚变研究的进程,为后续研究走向世界聚变研究的前沿创造了条件。验收组认为,在项目承担单位的努力下,取得了多项具有国际创新性的成果,促进了国际合作与交流。等离子体所和多个国外大学和研究所在HT-7上联合开展实验,使HT-7真正成为对外开放的国际上少数几个装置之一。

2003年1月14日,由ITER项目负责人Aymar带领的ITER技术代表团到等离子体所考察(右图)。

2003年2月27日,HT-7又获突破性进展,成功地获得稳态可重复的超过40秒的高温等离子体,长脉冲运行达50秒。

2003年3月31日,HT-7超导托卡马克装置在我国受控热核聚变实验中取得了历史性的突破--获得超过1分钟的等离子体放电,最高电子温度超过500万度;获得可重复的大于60秒放电时间,最长放电时间达到63.95秒;高温等离子体存在时间仅次于法国超导托卡马克装置(Tore-Supra);高约束等离子体存在时间为220倍能量约束时间,保持世界领先地位;获得了最高电子温度超过5000万度的等离子体。这些成果再次表明HT-7超导托卡马克成为继法国Toresupra装置之后,世界上仅有的两个可进行高参数稳态条件下等离子体物理研究的国际合作平台之一。实验中找到了影响等离子体约束和输运的带状流(ZonalFlow)存在的直接实验证据,观察到了由电子漂移波驱动的电子温度梯度模,这些实验结果有可能对深入理解等离子体约束和输运这一物理难题产生重要影响。实验中利用低杂波的电流驱动实现了对托卡马克加热场的关断,并维持等离子体放电达28秒,这一成果对未来简化聚变反应堆工程有重大意义。深入的数据处理和分析目前正在进行之中。实验期间,来自欧、美、日、俄等国以及国内兄弟单位的数十位科学家对不同的课题进行了合作研究,多项合作计划得以顺利实施并获得很好的实验结果。

2004年1月4日,等离子体所"可控热核聚变实验研究获重大突破"项目被600位两院院士评为"2003年中国十大科技进展"(右图)。

2004年2至3月,美国德克萨斯聚变研究中心(FRC)两批专家到等离子体所对HT-7进行物理诊断,调试电子回旋辐射和电荷负荷交换光谱,测量电子温度,并为HT-7实验提供了一些实验设备。FRC在国际聚变界是一个具有重要影响的科研机构,在聚变理论和实验研究等方面有很高的学术地位。等离子体所与FRC一直保持着长期稳定的友好合作关系,特别是近年来双方互利友好合作得到进一步加强,堪称中美在科技领域合作的典范。

2004年4月11日-6月14日,HT-7物理实验取得了突破性进展,放电脉冲长度突破了百秒关,达到了240秒,中心电子温度超过1000万度。参加本轮物理实验的有16个研究课题,开展了深入的物理研究,取得了丰硕的科学创新成果。本轮物理实验前,HT-7进行了大量复杂的技术改进:研制并安装了新型双环形高性能水冷石墨限制器、改造了低杂波天线系统和离子伯恩斯坦波加热调制系统、改进了极向场控制技术、研制成功一批新的等离子体诊断设备等等。实验期间,来自日本核融合科学研究所、九洲大学、美国麻省理工学院和德克萨斯大学的科研人员分别带着实验提案、数据分析软件和诊断测量工具参加了多项课题的研究。

2005年12月14日,HT-7获得了1000万摄氏度、持续306秒的等离子体放电。这个结果离法国的Tore-Supra只有一步之遥。

2007年4月10日,等离子体所承担的科技部国际科技合作重点项目“中美托卡马克先进运行模式联合研究”在合肥通过验收。验收专家认为:合作双方联合研制了一套电荷复合交换光谱测量系统(右图),并应用到HT-7托卡马克物理实验中;中美科学家合作在第一个全超导非圆截面托卡马克EAST上进行了控制研究,成功获得了首轮等离子体放电和稳定可控的偏滤器位形等离子体,受到国际聚变界的高度关注;引进并掌握了TRANSP等大型磁约束聚变数值模拟与分析程序,开发了应用子程序,集成后的系统软件在HT-7、EAST和HL-2A装置的物理实验中发挥了重要作用。通过合作,有效地利用了美国磁约束聚变科学和技术资源,掌握了诊断、数值模拟和控制等关键技术,解决了制约我国磁约束聚变研究中部分瓶颈问题,提高了我国核聚变领域的技术和物理研究水平,缩短了与国际聚变研究的差距,并培养了一批磁约束聚变领域急需的人才,锻炼了队伍,为更广泛的国际合作打下了良好的基础。

2007年4月13日,HT-7原有的数据服务器系统完成了大规模的升级,新数据服务器系统由5台专业服务器组成。实验数据分布在其中的四台高性能服务器上,剩余的一台服务器用作数据索引服务器,通过该服务器将用户的数据请求分配到四台数据服务器中,实现了完全分布式数据服务的功能。

2007年4月22日上午10:30分,HT-7本年度春季物理实验正式开始,放电第一炮即顺利获得了等离子体。由于准备充分,实验进展顺利,实验调试获得了等离子体电流达100KA(最高达150KA),时间长度达450ms,快速进入了实验状态。

2007年5月6日,为完成HT-7实验要求,离子回旋高频发射机末级系统与HT-7托卡马克装置成功连接,取得了输入功率为370KW的可喜成绩。

2007年8月27日,中科院知识创新工程重要方向项目“HT-7准稳态高参数先进运行模式下等离子体特性的研究”通过了专家验收。验收专家组听取了项目结题报告和五个子课题完成情况汇报。经过认真审核和讨论,验收组一致同意通过该项目的验收。

2008年3月21日凌晨,HT-7物理实验再次创下新纪录:连续重复实现了长达400秒的等离子体放电,电子温度1200万度,中心密度0.5×1019/立方米。这是目前国际同类装置中时间最长的高温等离子体放电。 本年度春季实验之前,对HT-7装置的高性能水冷第一壁结构、实时长脉冲精密等离子体位置和密度的反馈控制、先进第一壁处理和边界再循环的控制等技术进行了改进。这些技术都是未来反应堆稳态运行所必需的。基于这些技术的改进,除获得长达400秒的高温等离子体放电之外,还获得了在关断欧姆加热场的条件下,完全由低杂波驱动等离子体电流,时间超过200秒的好成绩。 此次HT-7再创新纪录,表明我国核聚变领域的科技人员更深入地研究和掌握了相关重要技术,并获得了良好的实验成果。

2009年11月13日,EAST/HT-7低温系统改造工程的子工程“液氮传输线改造工程”顺利竣工,已成功实现液氮传输功能。改造后的液氮传输线跨度约150米(改造前约30米),传输线越长越容易产生气堵、漏液、真空难抽等困难;改造后的输液线最大落差将近10米(从地沟到桥架),落差大容易产生气阻、液氮传输消耗大等问题。 

 

2009-08-31 09:48

 

 
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