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2024年  第11卷  第3期

封面目次
《南方能源建设》2024年3期封面目次
2024, 11(3)
摘要:
特约主编寄语
受控核聚变工程技术专刊特约主编寄语
王志斌, 许敏
2024, 11(3): 1-1.
摘要:

        受控核聚变能源是通过受到约束和控制的热核聚变反应获取能源的一种技术手段,也是人类尚未完全掌握的一种能源获取方式。受控核聚变能源研究已经持续开展了半个多世纪,至今仍然是人类共同面临的难题,也是充分体现国家科技创新能力的重要研究领域之一。目前,我国在受控核聚变研究领域取得了一系列的阶段性成果,以参与国身份参加了迄今为止全世界最大的国际科技合作项目“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”;东方超环(EAST全超导托卡马克)装置、中国环流三号装置、聚变堆主机关键系统综合研究设施等国家重大科技基础设施的建设,也极大地推动了我国磁约束核聚变研究的发展。受控核聚变能源研究作为一个多学科深度交叉的领域,在推动自身技术发展的同时也带动了超导技术、材料科学、电源技术等相关技术的发展,促进了一批高精尖技术的诞生。在核聚变研究发展过程中,我国也逐步构建起自主的受控核聚变科学、工程、技术和管理的人才体系,增强了我国在国际核聚变研究领域的核心竞争力。

        目前,核聚变研究仍面临着巨大的挑战,包括以燃烧等离子体为核心的物理方面的挑战,以抗中子辐照为核心的聚变堆材料方面的挑战,以及以产氚包层为核心的氚自持技术的挑战,这些问题的解决都需要大量科研人员攻坚克难、砥砺前行。虽然现阶段聚变能源的研究仍需克服众多的挑战,但面对国家能源结构转型的迫切需求,在国家的大力支持和一代代核聚变研究人员的不懈努力下,相信在不远的将来我国受控核聚变能源的发展将由蓝图变为现实。

        中国能建和南方电网作为可控核聚变创新联合体的重要成员,依托双方驻穗单位合作创办能源科技期刊《南方能源建设》,与中国核学会会刊《核技术》联袂打造本期受控核聚变专刊,该专刊面向我国受控核聚变研究的专业研究院所、高等院校和能源企业征稿,旨在为受控核聚变科学、技术与工程的融合搭建“产学研用”的学术交流平台。聚变能源作为一种潜在的重要基荷能源,将在未来能源供给中发挥难以替代的作用。为此,本刊将持续关注我国核聚变领域的最新研究结果,未来通过系列专刊的形式助力以核聚变为代表的新型能源研究发展与学术文化传播。

受控核聚变工程技术
我国磁约束核聚变能源的发展路径、国际合作与未来展望
王志斌, 沈炀, 余羿, 陈坚
2024, 11(3): 1-13. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.01
摘要:
  目的  聚变能源具有反应释放的能量大、运行安全可靠、燃料来源丰富、环境污染小等特点,有望成为一种可以大规模市场化供应的商业能源,在未来提供稳定的能源输出与电力供应。为了普及我国磁约束核聚变能源的发展路径,文章综述了聚变能的发现及实现途径。  方法  采用文献综述的方式简要介绍了我国磁约束聚变能源的早期研究发展历程,并以磁约束聚变能源的发展为例,初步给出了我国对于托卡马克装置、仿星器装置、球形托卡马克装置、反场箍缩装置、磁镜场装置、直线装置和偶极磁场装置等典型磁约束等离子体研究装置的建设情况。  结果  在这些装置的建设及研究基础上,我国磁约束聚变研究领域培养了一批科技人才,取得了长足的发展和进步。同时,文章概述了聚变能源研究的国际合作情况,以及我国参与建设的国际热核实验堆项目。  结论  虽然现阶段聚变能源的研究仍需克服来自燃烧等离子体物理、聚变堆材料、氚自持技术等多方面的巨大挑战,但在国家对能源结构转型的迫切需求以及对于聚变研究的大力支持下,相信在不远的将来我国磁约束聚变能源的发展将由蓝图变为现实。
磁约束等离子体电子回旋加热技术发展现状
夏冬辉, 卢婧, 陈曦璇, 方新宇
2024, 11(3): 14-22. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.02
摘要:
  目的  磁约束聚变研究中,电子回旋加热(ECH)和电流驱动手段应用广泛,包括但不限于等离子体的启动、加热、无感电流驱动和磁流体不稳定性控制等。近年来,针对未来聚变堆发展需求,电子回旋加热相关技术得到了长足发展,ECH已成为磁约束聚变装置中主要的辅助加热手段之一。  方法  首先对ECH系统进行简介,阐述了其组成部分、特点和应用现状;然后重点从4个方面论述了目前ECH系统相关技术的发展现状与趋势。  结果  结合ECH相关技术的研究现状及应用需求,得出各相关技术发展的重难点。  结论  文章立足于ECH相关技术的发展现状与趋势,从高频以及多频回旋管(微波源)、ECH系统智能控制技术、高效电流驱动技术以及基于回旋管的相干汤姆逊散射技术等多个方面,对ECH系统相关技术的未来研究方向及应用进行了展望。
Optimization of Electromagnetic Field Distribution of 120 kA Pulse Inductor in Oscillation Discharge Circuit
LI Zhenhan, LI Hua, BAO Xiaohua, GAO Ge
2024, 11(3): 23-35. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.03
摘要:
  Introduction  Pulse inductor is an important component of the oscillation discharge circuit in the quench protection system. In the oscillating discharge circuit, the pulse inductor and charging capacitor are used to oscillate and generate high pulse currents, causing the current flowing through the vacuum circuit breaker to reverse and create an artificial zero-crossing point, thus completing the switch breaking. However, under the condition of 120 kA current, due to the action of the electromagnetic force, the connecting bar below the pulse inductor will deform, causing equipment damage and greatly reducing the reliability of the auxiliary oscillation zero-crossing circuit. Therefore, it is necessary to conduct electromagnetic field analysis on the 120 kA pulse inductor and optimize the electromagnetic field distribution around it.   Method  Firstly, the commutation process of the auxiliary oscillation zero-crossing circuit was analyzed to establish a three-dimensional model of the pulse inductor, and the concept of magnetic field shielding percentage was introduced. Secondly, the influence of shielding plates with different materials and shapes on electromagnetic field distributions was calculated by using finite element simulation. Then the influence of different materials and shapes on shielding percentage was analyzed, and eddy current losses under different shapes were calculated. Finally, the deformation degree of the connecting bar under different shielding structures was calculated in the structural module.   Result  The results show that the use of different materials or structures in the shielding plates influences the magnetic induction intensity and electromagnetic force received by the connecting bar.   Conclusion  The circular aluminum shielding plate has a better optimization effect for the electromagnetic field distribution. This method also lays a foundation for the electromagnetic shield design of pulse inductors.
反常电子粘滞性引起的双撕裂模非线性演化
何志雄, 董家齐, 蒋海斌
2024, 11(3): 36-46. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.04
摘要:
  目的  在常规电阻撕裂模方程的基础上加入反常电子粘滞性,用圆柱位形的磁流体动力学,对由反常电子粘滞性引起的双撕裂模的非线性发展做了数值研究。  方法  通过对非线性发展阶段磁岛和磁力线的演化分析,详细研究了两个有理面间距分别为较大、中等、较小3种情况下,由反常电子粘滞性引起的双撕裂模非线性发展的不同阶段的磁场拓扑结构的变化以及相关动力学特征,探讨了非线性发展的驱动问题。  结果  研究表明,两个有理面的间距的大小,对双撕裂模非线性发展有很大影响。间距中等时,会发生快速磁重联,对位形破坏最快最大。  结论  研究结果对托卡马克的位形设计和运行时的控制提供了参考。
一种内离子源惯性静电约束聚变技术
李金海
2024, 11(3): 47-55. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.05
摘要:
  目的  惯性静电约束聚变是一种小型聚变装置。文章目的是要解决惯性静电约束聚变装置目前存在阴极熔化和Q值低等问题。  方法  首先分析了产生这些问题的原因,然后提出一种内离子源惯性静电约束聚变技术,以便降低离子在约束过程中的损失,解决阴极熔化问题,同时提高装置内的真空度,以及提高装置的Q值。  结果  最后通过估算的方法定性分析了中子产额的提高,并通过数值仿真模拟计算,模拟了内离子源惯性静电约束聚变装置内的非常复杂的离子运动情况,得到了各向异性的离子运动轨迹。  结论  根据估算和数值模拟计算结果,确证了内离子源惯性静电约束聚变技术的可行性,可以解决阴极熔化和Q值低的问题。
混合式新型聚变电源概念设计
苏杭, 李华, 宋执权, 徐猛, 李振瀚, 吴乾坤
2024, 11(3): 56-64. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.06
摘要:
  目的  近年来,聚变装置装机容量在不断增加,其电源系统需要输出高幅值、长脉冲的功率,对电网造成了极强的功率冲击,严重时会导致电源脱网,严重威胁聚变装置的安全。同时,高幅值脉冲也使电源系统的设计存在大量冗余。  方法  为了解决这两个问题,提出了带储能装置的新型聚变电源拓扑,通过在电源系统中加装储能装置,缓冲脉冲功率对电网的冲击。在电源运行过程中,电网提供稳态功率,储能装置提供脉冲功率,有效降低电源的成本。  结果  根据工业供配电经验,得出了不同拓扑中主要元件的选型计算公式。最终根据仿真数据,对不同电源拓扑的成本展开分析对比。  结论  证明了新型电源不仅可以减小对电网的功率冲击,提高电源系统的能量利用率,也可以降低变压器容量,具有一定的成本优势。
托卡马克超导磁体失超电压探测技术
王腾
2024, 11(3): 65-74. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.07
摘要:
  目的  全超导托卡马克是稳态运行的基础,而及时、可靠的失超探测是保证超导磁体运行安全的关键所在,享有聚变装置安全的最高等级。  方法  文章综述了聚变磁体失超电压探测的方法原理和实现途径,简要概括了失超探测的研究进展和主要托卡马克装置所采用的失超探测方案,介绍了失超电压探测的基本原理和过程。并以全超导托卡马克实验装置(EAST)为例,分析失超电压探测的干扰来源及耦合机制,提出两级解耦补偿方案,并建立初级补偿优化分析模型和等离子体耦合干扰动态补偿机制。  结果  实测结果表明,该补偿方案能够实现99.9%以上的噪声抑制比,有效改善失超探测的信噪比和可靠性。  结论  建立的初级补偿优化分析模型和等离子体耦合干扰动态补偿机制可拓展至其他托卡马克装置,从而为未来聚变堆的失超探测设计和磁体安全运行提供必要积累。
聚变堆包层模块第一壁不同冷却剂传热性能研究
张豪磊, 周涛, 薛春辉, 刘鹏
2024, 11(3): 75-80. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.08
摘要:
  目的  核聚变作为一种清洁、高效的能源,是实现全球可持续发展的未来希望。针对中国氦冷固态增殖剂包层模块的第一壁,基于核热工安全与标准化研究团队提出的4根冷却剂道的设计方案,计算了氦气、氩气、氮气作为冷却剂的温度场。  方法  选择B.S.Petukhov公式,计算聚变堆包层模块第一壁不同冷却剂的传热性能。  结果  研究表明:氦气、氩气、氮气作为冷却剂,致使Be板和RAFM钢中温度场的变化趋势是相似的;温度场出现的最大温度均小于许用温度,符合温度的安全要求;氮气作为冷却剂可以实现的安全裕度是最大的,氩气次之,氦气实现的安全裕度相较偏小。  结论  可由此对聚变堆实验包层第一壁的冷却剂选择提供更多的优化可能,对聚变堆实验包层第一壁的安全增加更多的裕度。
长脉冲高功率负离子源实验平台量热靶研制
周红霞, 万银祥, 周博文, 余珮炫, 唐珮钦, 魏会领
2024, 11(3): 81-86. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.09
摘要:
  目的  高能、强流、长脉冲中性束负离子源技术是磁约束聚变堆等离子体达到燃烧条件的核心技术之一。为满足长脉冲高功率负离子源实验平台200 kV/20 A参数下的束诊断需求,研制了用于截获负离子束或中性束、诊断两种束功率密度分布和束发散角以及负离子的中性化效率等性能参数的量热靶。  方法  根据现有的实验平台真空室结构和引出电极尺寸,利用matlab程序获得了该参数下,束发散角为1°时的负离子束在量热靶前端处的功率密度分布和束斑尺寸,进而设计了V 字形靶板的量热靶物理结构;在此基础上采用Workbench软件对无氧铜V字形靶板结构进行满功率运行状态下的热负荷模拟计算,获得了水流量为80 m3/h条件下的量热靶长脉冲运行时的温度分布,最高温度为610 ℃。  结果  根据模拟计算结果,结合实验平台工程结构和诊断需求,完成了量热靶的工程设计。  结论  量热靶采用磁流体真空密封,实现V字形靶板开合,靶板背面布置了热电偶阵列实时监测靶板温度。量热靶工程结构紧凑,安装尺寸能够兼容离子束流诊断真空室和中性束流诊断真空室,满足诊断需求,能够长脉冲安全运行。
面向磁约束聚变装置在强磁环境下磁性元件的失效分析及屏蔽效能研究
黄亚, 黄正义
2024, 11(3): 87-95. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.10
摘要:
  目的  文章旨在探究核聚变装置产生的空间磁场对磁性器件的影响,并深入了解复杂电磁环境下的磁场屏蔽特性。  方法  研究过程中,以核聚变内电源系统中的开关电源和电子变压器为具体研究对象,通过详细分析磁场对损耗的影响以及不同方向磁场下的特性变化,同时深入探讨影响磁场屏蔽效能的关键因素以及不同材料的应用情况,来实现研究目的。  结果  结果表明,强磁场环境下磁性元件的损耗明显增加,且不同方向磁场对元件特性的影响程度不同。通过对比分析不同材料的屏蔽效果,发现具有高导电性和磁导率的材料在屏蔽设计中具有更好的应用前景。此外,优化屏蔽结构能够进一步提高屏蔽效能,降低磁场对磁性元件的影响。  结论  通过系统分析核聚变装置强磁场对磁性元件的影响及屏蔽效能,为设备磁场耐受能力的测试和屏蔽设计的验证提供了关键参考。未来工作将聚焦于进一步优化屏蔽材料和结构设计,以提高磁性元件在强磁场环境下的稳定性和可靠性。
面向托卡马克破裂预测的实时数据采集系统设计
张沛龙, 叶伟杰, 郑玮, 丁永华, 王俪晔, 杨玉林
2024, 11(3): 96-109. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.11
摘要:
  目的  等离子破裂是托卡马克核聚变装置运行中的重大威胁。破裂缓解系统可以降低等离子体破裂对装置的危害,其动作时机高度依赖于实时运行的等离子体破裂预测系统对等离子体破裂时刻的预测。基于深度学习的神经网络已被用于训练等离子体破裂预测模型,其实时运行需要来自多种诊断的大量实时数据。  方法  文中提出一种实时数据采集系统的设计方案。该系统基于模块化结构进行设计,分为多通道采集模块、ADC转换控制和数据读取模块、数据分组与封装模块和数据传输网络模块。数据传输网络模块基于运行在FPGA上的10 G速率的硬件UDP网络协议栈进行构建。该硬件UDP协议栈具有确定性的数据传输过程,使得系统具有很低的传输时延。  结果  该实时数据采集系统的采样率可以达到每通道2 MSa/s,数据吞吐速率超过9.3 Gb/s,数据传输延迟小于10 μs。  结论  该实时数据采集系统可以为破裂预测程序提供快速传输的实时诊断数据流。高采样率使得系统可以对辐射、电子温度等1维诊断进行实时传输,提高数据时间分辨率。高数据吞吐率可以提高诊断数据的传输数据量,低数据传输时延可以减少破裂预测模型获取诊断数据的时间。
热核聚变发电厂储能系统运行模式研究
林燕, 李斌, 罗浩东, 向魁, 朱光涛
2024, 11(3): 110-116. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.12
摘要:
  目的  核聚变作为一种新型核能利用形式,其清洁绿色特性被视为人类未来的“终极能源”,也是我国在能源发展道路上的必经之路。在热核聚变发电厂中,中国聚变工程实验堆(CFETR)聚变反应堆具有一定周期性、脉冲式的输出特性,而汽轮发电机组的运行是稳定、连续的,因此核岛和常规岛之间需配有储能岛以进行储能缓冲;为实现其储能缓冲的功能,储能系统需选择合适的运行模式。  方法  核岛与常规岛耦合运行或解耦运行,对应着储能系统不同的运行模式;文章基于CFETR核岛侧的功率输出特性,从系统配置、设备选型和运行控制等方面对储能系统运行模式的不同方案进行分析和对比。  结果  研究结果表明,核岛与常规岛的解耦运行模式在常规岛发电效率、设备设计技术成熟性和机组运行控制上都更具优势,因此推荐热核聚变发电厂储能系统采用解耦运行模式。  结论  储能系统解耦的运行模式方案大都采用成熟技术,可进行规模化的商业应用,因此可为实现热核聚变发电厂的商业化设计提供支撑。
基于超级电容器的核聚变磁体电源系统环形场线圈电源设计
许一泽, 林睿, 王思巍
2024, 11(3): 117-125. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.13
摘要:
  目的  研究旨在为核聚变磁体电源系统中的环形场线圈开发一种高效可靠的脉冲电源系统。针对核聚变装置在高功率需求下的挑战,提出了一种基于超级电容器的电源解决方案,旨在增强能量存储的效率和系统的稳定性。  方法  通过采用模块化多级转换器技术,开发了一种新型的脉冲电源结构。利用超级电容器的高功率密度和快速充放电能力,作为主要的能量存储单元,以满足环形场线圈的高频脉冲运行需求。此外,探讨了超级电容器与模块化多级转换器技术结合的优势,如系统的灵活性和可扩展性。  结果  研究结果显示,所开发的电源系统能够有效支持核聚变反应堆的脉冲操作需求,确保了能量的高效输送和转换。  结论  基于超级电容器的脉冲电源系统为核聚变装置提供了一种有效的能量解决方案。该系统不仅提高了能量转换的效率,也增强了整个设备的运行稳定性和可靠性。未来的研究将进一步优化电源结构和性能,以适应更广泛的应用场景。
热核聚变发电岛三回路参数优化研究
罗贤勇, 李斌, 林燕, 向魁, 朱光涛
2024, 11(3): 126-136. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.14
摘要:
  目的  为了适应CFETR聚变反应堆周期性的输出特性,聚变发电厂采用氦气-熔盐储能-水(汽)动力循环三回路系统。其中三回路蒸汽循环的参数及热力方案对发电岛投资和发电收益有重大影响。高参数和复杂的热力方案可提高循环效率,但增加了初投资;低参数和简单的热力方案循环效率不高,但初投资显著降低。三回路蒸汽参数及热力方案的选择应综合考虑发电效率和初投资,按综合经济性较优的原则选取。  方法  文章基于仿真软件Ebsilon进行建模仿真,考察不同回热方案、不同主汽和再热参数下的热力循环的性能。通过对不同的热力方案和参数组合进行计算,获得了各工况下的总效率和输出功率,并分析了三回路主要设备投资及其随参数的变化。  结果  综合考虑储能岛和常规岛的总投资与收益,推荐采用9级回热,主蒸汽参数12.4 MPa、540 ℃的热力方案。  结论  文章提出的三回路蒸汽参数和热力方案对后续聚变发电技术研究以及工程设计具有参考价值。
HL-3聚变用大容量Crowbar
吴琳君, 李海燕, 雷枭, 吴一, 刘邵轩
2024, 11(3): 137-145. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.15
摘要:
  目的  面向HL-3聚变大科学装置极端故障能量快速转移,配置短路保护用大容量旁路开关需求。  方法  基于HL-3磁体电源参数,结合电力电子变流技术及可控硅触发应用基础,针对快速冲击应用中多并联可控硅一致性导通及稳定均流的严苛工况,融合电力电子变流工程实践经验,经并联分支导电线路等长型式改良;并联元件参数一致性筛选,并联臂内元件位置与参数差异化选配;通过在可控硅侧附加串联电阻物理强迫均流,并对附加电阻热稳定性核算,并联桥臂电动力冲击验算;可控硅元件高频脉冲列强触发等手段和方法。  结果  推导设计了一种稳定的可控硅220 kA级大容量聚变用crowbar旁路保护电子开关系统,经试验模拟实测验证及实载160 kA冲击考验,实现了HL-3保护用大容量旁路开关的匹配要求。  结论  在做好热动、稳定性验算的基础上,采用线路改良,附加物理强迫均流,元件参数筛选及装配,触发模式调整等综合手段,实现大容量crowbar在聚变中的配套应用是完全可行的。
TH2103A型速调管阳极电流测量和保护系统
陈娅莉, 卢波, 白兴宇, 马悦心, 许凌飞, 梁军, 左览
2024, 11(3): 146-151. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.16
摘要:
  目的  工作频率3.7 GHz的TH2103A型高功率速调管广泛应用在托卡马克实验装置中。为了简化高压供电系统(去掉阳极调制中的电真空四极管),在HL-2A装置的TH2103A型速调管中引入了一种基于分压模式的供电方式。为了保证速调管在该供电模式下安全运行,研制了阳极电流的测量和保护系统。  方法  对该供电模式下的阳极电流特点进行了分析:阳极电流会出现正常、正向过流或反向过流的情况。当阳极电流出现正向过流或反向过流时,代表有大量的电子轰击阳极或大量电子从阳极流出,这些现象对速调管来说都是非常危险的,通常会引起速调管钛泵过流,甚至损坏速调管。因此对阳极电流进行准确的测量以及当阳极电流出现过流时切断高压对速调管进行保护非常重要。文章介绍了阳极电流测量系统的原理和供电模式,阳极保护系统的原理和实施方案,在实验过程中对阳极电流的测量和保护系统的可靠性进行了验证。  结果  证明了该供电模式下阳极电流测量和保护系统的有效性和可靠性。  结论  文章所述供电模式和阳极测量保护系统对基于TH2103A型速调管的运行和维护具有重要参考意义。
基于PLC的HL-3装置中性束逻辑控制系统设计
余珮炫, 周红霞, 万银祥
2024, 11(3): 152-158. doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.17
摘要:
  目的  中性束注入(NBI)是中国环流三号(HL-3)托卡马克装置重要的等离子体加热和电流驱动手段。NBI加热系统是涉及真空、电力电子、机械、自动控制、气体放电等多学科、多领域的复杂系统。控制系统是NBI加热系统可靠运行的基本保证,可实现对加热系统现场设备的远程控制、运行状态的实时监控和放电实验的逻辑控制。  方法  根据NBI加热束线控制需求确定PLC系统的硬件配置,组建了以西门子S7-416为主控制器,以Profibus-DP网络和工业以太网为基础,以光纤为传输介质的分布式I/O系统。采用组态软件STEP7实现硬件组态、通信连接和程序编写,利用界面软件WinCC完成集中管理、过程监控和信息归档。  结果  PLC系统能够实时监控现场设备状态,与NBI控制系统进行数据交换,指导现场设备稳定运行。此外,图形化的用户界面使得实验过程可视化,真空值、流量和温度的实时显示,为实验运行人员提供了及时的状态信息。  结论  整个PLC系统高效可靠,重复性好,具有良好的兼容性和可扩展性,实现了对NBI束线现场设备的监测和控制。