1、,陈谦，王爱科，李芳著，张锦华 核工业西南物理研究院 ,HL-2A托卡马克装置改造方案磁流体平衡的数值模拟,第十三届全国等离子体科学技术会议 2007, 8, 20-22, 成都,核工业西南物理研究院,陈谦，等. 第十三届全国等离子体科学技术会议 2007, 8, 20-22, 成都,1 HL-2A装置改造的目的和目标,HL-2A装置毕竟是上世纪80年代的产品，具有一定局限性。目前国际的大型装置的主流是磁场开放式偏滤器结构，这种结构能够获得大拉长比、高比压、大三角形变， HL-2A装置其运行参数和性能已经不能满足现代先进托卡马克物理实验的要求。,1.1 HL-2A装置改造的工程目标,HL-2A
2、改造后，其工程设计的等离子体电流参数将达到IP=1.2MA，在改造后的装置上能更好地开展先进托卡马克物理实验，放电位形要求具有高比压、高能量约束时间和高自举电流，较大的拉长比（ ）和三角形变度（ ）以及比较灵活的等离子体参数运行空间。,偏滤器结构上的创新又是HL-2A改造创新的重点。改造后的偏滤器结构最好具有类似ITER的偏滤器结构，它可以为ITER的建造和运行提供经验。装置改造的大体思路是： 保留16个纵场线圈 kA级方案保留HL-2A原来的欧姆线圈，MA级方案不保留欧姆线圈，重新设计中心螺线管 去掉真空室内的偏滤器线圈和真空室外的偏滤器补偿线圈 去掉水平和垂直场线圈 真空室不变或小变 在真
3、空室外重新添置极向场线圈。,1.2 HL-2A装置改造的基本方法,2 HL-2A装置kA级改造方案的模拟计算,HL-2A装置kA级主机改造方案以保留16个纵场线圈为前提，这样可以缩短改造周期，以较低的改造成本，获得较好的改造参数。在装置改造设计中，方案受到原来HL2A装置的较大限制，为了能兼顾物理指标、等离子体位形与工程可行性，进行了大量的计算。装置设计的主要参数见左表。,HL-2A装置kA级改造方案的主要参数,2.1 极向场线圈设计,kA级改造方案是一种小规模改造的方案，它是在原有装置基础上去掉了真空室内的所有线圈，重新布局极向场线圈系统到真空室和纵场线圈之间的空间内。将真空室内侧的PF1作
4、为欧姆线圈的一部分提供伏秒数，而PF2a、PF2b、PF2c、PF3、PF4a、PF4b六组线圈作为极向场线圈形成等离子体偏滤器位形。通过模拟计算，得出PF1线圈作为欧姆线圈（上下各20匝，单匝电流变化范围为-30kA到30kA）能在原有欧姆线圈提供的5Vs基础上增加2.5Vs，能够将总磁通变化量提高到7.5Vsec左右。,HL-2A装置kA级改造方案极向场线圈设计参数,HL-2A装置kA级改造方案极向场线圈布局图,2.2 kA级方案计算结果,方案的计算结果可以看到：拉长比达到1.7左右，由于PF1线圈加载了很大的电流，结果的三角形变达到了0.57，小半径0.37m左右。方案模拟结果的位形较好
5、，三角变形、拉长比、大半径、小半径、X点位置等参数符合设计要求，伏秒数不够的问题也已较好的解决。结果表明该方案的各项参数均已达到了预期的物理和工程目标，获得了良好的等离子体平衡位形，将等离子体形成线圈调整到了比较理想的位置，并在原装置许可的范围内分配好了合理的安匝数，参数指标和工程可行性能够合理的平衡。我们认为该方案是可行的。,3 HL-2A装置MA级改造方案的模拟计算,该方案是一种大规模的改造方案，此方案的基本思路仍然是保留目前的16个环向场线圈，并将其沿径向往外拉。真空室和纵场之间已经无法安装新增的极向场线圈，只有布局在纵场线圈之外。将目前HL-2A装置的中心柱去掉，用于放置螺线管线圈以提
6、供伏秒。HL-2A装置MA级改造方案与HL-2A装置相比，其规模有相当大的提高，等离子体电流增加约3倍，达到兆安量级；等离子体小半径增加125%，达到0.5m;并具有高拉长比和大三角形变，形状修正因子达到2.6。,HL-2A装置MA级改造方案的主要参数,3.1 极向场线圈布局,HL-2M方案的极向场线圈系统的设计采用一体化的设计方法，即所有极向场线圈均提供建立和维持等离子体电流所需要的伏秒数，又对等离子体形状及平衡产生影响，其中中心螺线管线圈是伏秒数的主要提供者。方案的极向场线圈系统由布置在环向场磁体之外的中心螺线管线圈CS1、CS2和成形场线圈PF1、PF2、PF3组成，除CS1外，其它线圈
7、都是上下对称布置。由于线圈加工等工程原因，将PF1线圈拆分成串联的PF1i和PF1e线圈。为了增大拉长比，HL-2M方案去除了真空室内的所有线圈，新的极向场线圈在纵场外安装。由模拟计算结果可知，由于设计参数中等离子总电流达到MA，重新设计的中心螺线管线圈安匝数大幅度增加，原来装置中心的空间明显不足，16个纵场线圈保留但外移25cm左右，留出足够的空间安装中心螺线管线圈。新的极向场线圈安装在纵场线圈外，需要的安匝数也相应的增加。,HL-2A装置MA级改造方案极向场线圈布局图,3.2 MA级方案计算结果,三种典型基本位形 （孔栏位形、双零偏滤器位形和下单零偏滤器位形）,HL-2A装置kA级改造方案极向场线圈设计参数,MA级改造方案虽然改造规模较大，但其模拟结果除了拉长比在下单零位形结果中，只能到达1.63左右，其它各项参数都优于前面的方案，改造后装置可以获得1.2MA的等离子体总电流，三角形变0.5，其它参数也符合设计要求，是一个优秀的选择方案。计算结果见下表。,
