超导托卡马克氦低温系统脉冲热扰动的形成机理与缓冲方法研究

Due to under alternating electromagnetic environment, pulsed heat loads deposite on the magnets of superconducting tokamak during plasma discharges,and thus it will cause pulsed thermal disturbance to the whole helium cryogenic system through heat and mass transfer of supercritical helium within cooling channels of the magnets. It will have a great impact on the helium refrigerator and its control system, then affect the stability and efficiency of the helium cryogenic system. This project will study the generation, absorption and transfer of the pulsed heat loads during plasma discharges by means of numerical and experimental methods, and reveal the genetic mechanism of the pulsed thermal disturbance of helium cryogenic system of superconducting tokamak in different spatial position; build dynamic response relationship between plasma discharge and pulsed thermal disturbance, and forecast the possible impact and effect of high plasma parameters to helium refrigerator and its control system;further more, investigate the original smoothed methods of the pulsed thermal disturbance. This study will bring theoretical basis for the upgrade and engineering design of helium cryogenic system of superconducting tokamak in future, and meanwhile will provide scientific basis for the design of helium cryogenic system with periodic varied heat loads.

处于交变电磁环境下的超导托卡马克磁体，在等离子体放电时会产生脉冲热量沉积，通过冷却通道内超临界氦的热质传递对整个氦低温系统形成脉冲热扰动，引起对氦制冷机及其控制系统的冲击，影响整个氦低温系统的运行稳定性和效率。本课题将利用数值及实验方法，研究等离子体放电时脉冲热量的产生、吸收、传递等动态过程，阐释超导托卡马克氦低温系统不同空间位置处脉冲热扰动的形成机理；建立等离子体放电与脉冲热扰动的动态响应关系，预测未来高参数放电对氦制冷机及其控制系统可能产生的冲击影响；并从根源上探讨脉冲热扰动的缓冲机制。通过研究，为未来超导托卡马克氦低温系统的升级改造与工程设计提供理论基础，同时为周期性变热负荷大型氦低温系统设计提供科学依据。

以人类未来清洁能源为目标的超导托卡马克实验装置在运行时，其超导磁体处于交变电磁环境下，从而产生脉冲型的热负荷，对低温系统带来持续性热冲击，这与其它任何大型超导物理实验装置的低温系统有着截然不同的运行特点。而且随着物理实验参数的逐步提高，对低温系统的稳定性、可靠性、可用性都要极高的要求。例如国际热核聚变装置ITER低温系统的可靠性的要求为98%以上。在此之前，缺乏长脉冲运行的实验数据，对解决方案也仅仅基于数值仿真提出。为了解决脉冲热负荷冲击问题，满足未来超导托卡马克聚变堆低温系统的高稳定性要求。本项目借助于EAST实验运行数据，从热扰动的形成机理方面展开研究。通过数值计算与实验数据得出了磁体的交流损耗（耦合与涡流损耗）是第二回路动态热冲击形成的直接原因，并通过第一冷却回路的低温超临界氦介质的热质交换对制冷机及控制系统形成冲击。提出了几种应对热冲击缓冲方法，并通过数值仿真与实验的方法加以验证。.研究表明，连续的长脉冲放电是引起低温系统热负荷冲击的主要实验模式。EAST连续100秒的长脉冲可使第二回路超临界氦的流量在几秒钟内波动超过30%。且等离子体电流越高波动冲击越大，动态热负荷在长脉冲放电时占总热负荷的50%。本项目提出了几种应对脉冲热冲击的缓冲方法。利用10m3的外置液氦杜瓦可将压力波动降低到75%，达到有效缓冲热冲击的效果。另外利用线圈盒的蓄热惯性，可以有效降低低温系统的热负荷波动冲击。未来制冷机设计可采用平均热负荷作为设计制冷量，利用大型低温液氦杜瓦作为峰值热负荷与等待热负荷的缓冲处理，优化低温系统的设计规模，可以降低至少30%的制冷量。另外大型低温系统动态仿真平台，有助于优化脉冲热负荷制冷机设计，采取更为Robust的控制系统，提出最优的制冷机的并行运行设计方案。可以大大提高对中国未来聚变堆CFETR低温系统的可靠性和稳定性。