中国核科技环流器二号是不是核聚变国际一流水平？

中国环流器二号(HL-2A)是我国第一个具有偏滤器位形的大型托卡马克装置，利用德国ASDEX装置主机3大部件改建而成。

HL-2A主机安装前的准备--《中国核科技 告》1999年S2期

【摘要】:正 HL-2A是我院在建的大科学工程。HL-2A的主机主要部件是我院从德国ASDEX拆运回来的,进行部分改进、修复和调整后将重新安装。

该装置具有由相应的线圈和靶板组成的偏滤器，可以运行在双零或单零偏滤器位形。这对开展高约束模(H模)物理和边缘物理研究及提高等离子体参数是非常关键的。该装置1999年正式动工建设，2002年获得初始等离子体。

HL-2A装置(图1.3.4)主机由环向磁场线圈、极向磁场线圈、真空室及支撑系统组成。最大环向磁场可以达到2.8T，等离子体电流为480kA。表2.3.2列出了HL-2A装置的主要参数。

HL-2A装置磁场线圈中的强电流由3套飞轮脉冲发电机组和大功率变流电源系统提供，总容量达到300MVA，一次脉冲释能为1300MJ。环形真空室由不锈钢制成，具有200多个大小不同的窗口，分别用于等离子体加热、加料和诊断等。环形真空室由8台涡轮分子泵抽到超高真空状态，极限真空度可达到4.6×10Pa。在HL-2A装置上发展了10MW的加热系统，包括6MW的电子回旋加热系统， 2MW中性束系统和2MW低杂波电流驱动系统。 HL-2A装置上有40余种不同种类的先进等离子体诊断系统，分布在主等离子体区和偏滤器区，可以提供有高时空分辨的等离子体参数。

中国环流器二号A(HL-2A)

表 HL-2A装置主要参数

HL-2A装置自运行以来，有多项重大进展:

2003年，在首轮物理实验中成功实现第一次偏滤器位形运行。

2009年，实现中国第一次高约束模(H模)放电。高约束模的实现是一个装置综合水平的重要标志。这项重大科研进展是中国磁约束聚变实验研究史上的又一里程碑。

同时，在大功率加热中，等离子体离子和电子温度都大幅度增加。

另外，在等离子体宏观不稳定性、边缘物理，杂质输运等方面还有很多新的实验成果。这些新的发现为聚变等离子体科学的发展做出了贡献，为中国参与ITER计划提供了科学和技术基础。

德国提供先进核装置 中国迈进世界核聚变大国

2002年12月17日 10:13 科技日 德国提供先进核装置 中国迈进世界核聚变大国

　德国提供先进核装置 中国迈进世界核聚变大国　我国大步迈进核聚变研究大国行列

　　12月2日上午，在美国、德国、日本核聚变科学家的注目下，中国科学院、中国工程院的五位院士共同启动按钮，这标志着我国核聚变研究踏上新征程的核聚变研究装置——中国环流器二号A装置开始了首次运行，瞬息之间，我国一步迈进世界核聚变研究大国行列。

　　在人类社会朝着现代化突飞猛进的今天，世界性的能源危机令人触目惊心，经科学预测，目前人类所使用的化石类能源将在几十至几百年内枯竭，开发新能源已经刻不容缓。和平利用核能，重视核聚变的研究，已成为人类寻求新能源的重要途径，世界发达国家更希望自己能独占鳌头。

　　从上世纪50年代开始，中国科学家即开始了核聚变的研究，特别是我国成功地爆炸了第一颗原子弹和第一颗氢弹之后，和平利用核能源，开发新能源的步伐一天也没有停止过。

　　人类大规模获取核聚变能的途径，是用氢弹爆炸来实现聚变反应。但是，这种反应是不可控制的，要把聚变反应的过程控制起来，实现受控核聚变，使它按人类的需要稳定地释放出聚变能，条件极其苛刻：其一，至少要把核聚变燃料加热到1亿度以上，电离成运动极为活跃的等离子体；其二，等离子体密度至少要达到每立方厘米100万亿个以上；其三，这样的等离子体存在时间至少要保持1秒钟以上，才能使反应粒子充分碰撞，从而引起聚变反应。

　　1968年，受控核聚变研究有了第一次突破，苏联在托卡马克装置上取得了重要进展，于是在世界范围内很快掀起了研究托卡马克的热潮。到了1991年底，受控核聚变研究有了质的飞跃，当年11月9日，由14个欧洲国家共同建造的托卡马克装置―――欧洲联合环，首次成功地实现了氘―氚受控核聚变反应，反应温度达到了3亿度，聚变持续时间达2秒，释放能量达1.7兆瓦，从而验证了实现受控核聚变的科学可行性。此后，美国也在其托卡马克装置上实现了氘―氚聚变反应。

　　与世界发达国家的研究相比，尽管我国核聚变研究与世界先进水平有相当大的差距，但近20年来中国核聚变研究的进展逐渐在国际核聚变研究领域占有了一席之地。

　　1986年11月，在第11届国际等离子体物理与受控核聚变会议上，我国核聚变研究第一次引起世界瞩目。

　　核工业西南物理研究院在自行研制成功的托卡马克研究装置―――“中国环流器一号”所取得的研究成果，得到了各国专家的高度评价和赞扬。大会总结时特别指出：“我们高兴地看到，一个来自中国的中型托卡马克已经开始全面运行，‘中国环流器一号’的建成是第10届会议至今的4年里，国际受控核聚变研究取得新进展的重要标志之一。我们的中国同事们做到了具有全部通常特征的、全欧姆式的托卡马克，并为今后的研究提供了一个有用的等离子体，应当受到祝贺。”

　　12月2日，中国环流器二号A装置启动，在场的外国核聚变专家评价说，经过不断的努力，中国正在成为国际核聚变研究的一支依靠力量。

　　不懈地追求奠定了实现跨越的基础

　　瓦格纳先生是一位和善友好的德国老人，对中国开展核聚变研究充满了热情，在中国环流器二号A装置启动仪式上，他送给中国同行一件珍贵的礼物。

　　这是一份数据记录纸，记录了德国一台核聚变研究装置最后一次放电获得的试验数据参数。瓦格纳说：“这台装置在德国放电33509次，今天是这台装置第33510次放电，与以往不同的是，这是它在中国的第一次放电”。

　　德国的核聚变装置演变为中国环流器二号A装置，这中间还有一段国际科技合作的故事。

　　20世纪80年代中期建成的中国环流器一号，代表了当时我国聚变研究发展的最高水平，是我国受控聚变研究史上一座光辉的里程碑，它使我国成为了除美国、前苏联、日本和西欧国家以外，唯一成功研制中型托卡马克装置的国家，缩短了我国与国际研究水平的距离，并因此当之无愧地获得了国家科技进步一等奖。

　　1994年，核工业西南物理研究院又建成了“中国环流器新一号装置”。在实验中，他们取得了等离子体电流320千安，等离子体放电持续时间4秒的实验参数，不仅创造了国内核聚变装置物理实验的最高纪录，而且达到了国际上同类型、同规模装置的先进水平。

　　荣誉代表过去，事业在不断发展。作为我国最早开展核聚变研究的单位，核工业西南物理研究院早在1989年即提出了我国核聚变研究的长远规划，这就是在21世纪初建造一座新的聚变研究实验装置―――中国环流器二号A，进一步跟上国际核聚变研究的步伐。

　　根据设计，中国环流器二号A装置是我国第一个具有先进偏滤器位形的大型托卡马克装置，将使我国在等离子体物理研究的许多方面迅速走向世界前沿，承担起我国受控核聚变能源开发事业继往开来，承前启后的历史使命。

　　自己建造中国环流器二号A装置需要大量的投入，不仅是巨额资金的投入，更重要的是时间的投入。

　　中国环流器二号A装置立项初期，有关方面获得了一个重要的信息：拟建的中国环流器二号A装置的磁体和真空室的尺寸与居于世界先进行列的托卡马克装置―――德国的轴对称偏滤器实验装置(ASDEX)大致相当，该装置已于1990年8月停止使用，德方有意转让给有研究实力的国家。

　　将科研装置转让给有需求的国家继续使用，是国际上许多国家普遍开展的国际科技合作的重要内容，它的优点是可以节省研究经费，加快研究速度，缩短周期，推动更多的国家开展研究。

　　我国核聚变界知名专家对这一重要信息进行了认真的论证，认为广泛开展国际科技合作，充分利用该装置的主机部件并加以改造和配套，可以建成我国第一个具有先进偏滤器的大型托卡马克装置，实现我国核聚变研究新的跨越。

　　核工业西南物理研究院与德国方面进行了多次洽谈，谈判的核心是中国有没有能力让这套装置在中国发挥作用。最终，中国的实力取得了德方的信任，战胜了其它竞争对手，我国最后一个提出申请，却一举赢得了胜利。1995年7月，中德双方达成协议，德方将ASDEX装置主机部件赠送给核工业西南物理研究院。中国核聚变研究的坚实功底为即将迈出的跨越性一步奠定了基础。

　　德国“女儿”既要落户更要开花

　　伽兴，德国第三大城市慕尼黑郊区的一个小镇，德国最大的核聚变研究基地就设在这里，同时这里也是国际少数几个重要的核聚变研究基地之一。

　　1995年8月，核工业西南物理研究院的技术小分队来到伽兴，他们将完成ASDEX装置主机部件拆卸运送回国的任务。

　　ASDEX装置主机结构非常复杂，德方专家起初对中国技术人员是否有能力完好无损地拆卸和恢复好表示担心和怀疑。经过几个月的奋战，这台由上万个结构复杂、装配坚固的部件组成的ASDEX装置主机被分解开，又一件件完好无损地拆卸下来，有条不紊地包装成箱。德国核聚变专家瓦格纳先生感慨地说：“你们的工作证明了中国人有能力把拆卸工作做好，也使我们相信你们今后也能把A SDEX装置在中国恢复好！”

　　1999年4月，中国环流器二号A工程正式开工。这是一项基建工程和科研装置建造融为一体的科学工程，不仅要将ASDEX装置主机完好地组装在一起，还要进行复杂的配套工作，保证中国环流器二号A装置正常运行。建设如此重大的科学工程，对于核工业西南物理研究院来说无疑是一个严峻的考验。

　　在中国环流器二号A装置上进行偏滤器位形放电，需要从多方面满足其特殊的高技术要求。磁场电源系统方面其总计脉冲容量需要达到近30万千伏，电源几乎全是高压强电源，输出电流应达到45千安。为此，核西物院成功地设计研制出了能够约束、加热、平衡等离子体以及进行等离子体位移控制的八套不同作用和特点的磁场电源。

　　设计研制的具有很强的灵活性和可扩充性的变压器和欧姆整流设备，改善了变流设备的控制特性和运行的稳定性，进一步提高了电源控制精度。精心和倾心的打造，终于升华出了中国环流器二号A装置强大而灵敏的电源系统，为装置冲击世界核聚变研究前沿提供了强劲的动力支持。

　　中央控制系统的研制，包括反馈系统、装置控制系统和数据获取系统，它必须满足先进性、安全性、共享性、灵活性、自动化程度高等多方面的高技术要求。为此，在先进性方面，科研人员运用高速、高精度的控制软件，实现了对等离子体电流、位移、等离子体截面、MHD扰动、密度等的精确控制，保证了中国环流器二号A装置放电的等离子体参数的精确性。

　　核工业西南物理研究院还用一年多的时间，完成了两台80兆伏安大电机的改造，提高了电机输出功率；完成了多达数百台件的整流控制设备的升级与技术改造，采用了最先进的数控技术，提高了供电系统的可靠性与灵活性。

　　中国环流器二号A装置主机安装的关键是安装主机真空室，要将重达26吨的真空室安全精确地吊装到位，这是对安装队技术的一次严峻考验。

　　安装前，安装队员一丝不苟地做着准备工作：搭设西半环真空室旋转平台和轨道，仔细检测其平整度；在每个平台立柱上安装百分表监测平台是否变形……安装队员都尽量把每一步准备工作做到位，都尽量把细小的误差消灭在吊装前。

　　吊装开始，他们将主机移动部分缓缓拉开，10厘米、20厘米……1米、2米……终于拉开到3米，然后又小心地将真空室轻轻吊放到旋转平台上，继而沿轨道慢慢将真空室推入装置纵场线圈内……

　　8月的成都闷热难当，被汗水浸透的工作服早已贴在队员们的身体上。从早晨一直到晚上11点，庞大的两个半环真空室终于就位，调整误差仅在3毫米以内。真空室安装一次成功！

　　焊接中国环流器二号A装置真空室多极场线圈合车头真空套，对焊接技术的要求很高。必须一次焊接成功且焊缝满足超高真空的要求。由于真空室空间非常狭小，人必须跪、蜷伏甚至仰卧在凹凸不平、冰冷坚硬的真空室内操作。有的地方实在是狭小，根本无法直接看到焊接点，必须借助反射镜才能完成焊接。在这种非常艰难的条件下，技术工人事先反复地演练，保证实战时一次焊接成功。

　　在中国环流器二号A装置工程整个安装过程中，大大小小的技术难题层出不穷，可以说安装过程就是与困难搏击、斗争的过程。核工业西南物理研究院攻克了安装工作中一个又一个难关，仅用了两年的时间就高质量地完成了中国环流器二号A主机装置安装任务，创造了让德国人敬佩的奇迹。

在21届国际聚变工艺大会上，当德国人知道当初由德国嫁到中国的“女儿”不仅生根了，而且即将开花结果，欣喜难抑地说：“中国人用两年的时间完成主机安装工作真是了不起。”

　　从“中国环流器一号”到“中国环流器新一号”，再到“中国环流器二号A”，核工业西南物理研究院的核聚变研究走过了半个世纪。随着“中国环流器二号A”装置的启动运行，我国科学家将开展一系列物理实验研究，开展新型偏滤器、超导磁体等关键工程技术项目预研，进行工程试验堆设计与材料研究及其关键部件预研，为2015年前后设计建造氘氚燃烧试验装置( HL-3)提供技术和物理基础，再铸核聚变事业新的辉煌。(于小晗、刘小革、高兰)