“人造太陽”中的“冰”
——EAST低溫系統(tǒng)

朱志剛，張啟勇

中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥 230031

由強(qiáng)磁場(chǎng)約束高溫等離子體的磁約束核聚變，被認(rèn)為是人類最終實(shí)現(xiàn)可控核聚變能利用最具前途的方法。隨著磁體的大型化，采用超導(dǎo)磁體技術(shù)將是未來聚變裝置的唯一選擇。利用大型超導(dǎo)磁體代替常規(guī)磁體應(yīng)用于托卡馬克裝置中，不僅可以節(jié)省電力，還可以提高磁體電流密度，增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，以及提高裝置的磁約束能力[1]。全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置——東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)，于2006年在中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所建成，它是世界上第一臺(tái)采用全超導(dǎo)體的托卡馬克裝置。2017年7月3日，EAST實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的101.2 s穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間，EAST裝置內(nèi)部存在幾千萬度的高溫等離子體，同時(shí)在超導(dǎo)磁體中也存在由低溫系統(tǒng)提供的4.5 K(-268.65 ℃)極低溫度的氦，將超導(dǎo)磁體冷卻至臨界溫度以下，使其工作在超導(dǎo)態(tài)。

通過人工的方法使某一物體或空間獲得并保持低于120 K的系統(tǒng)稱為低溫系統(tǒng)[2]。低溫系統(tǒng)在氣體液化與分離、空間技術(shù)和科學(xué)研究等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其是利用超導(dǎo)技術(shù)的高能加速器、高能粒子探測(cè)器和核聚變等大科學(xué)裝置領(lǐng)域。由于超導(dǎo)材料特性的要求，超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要超導(dǎo)材料工作在一定的低溫環(huán)境下。目前應(yīng)用較為廣泛的低溫超導(dǎo)磁體，通常需要冷卻至4.5 K液氦溫區(qū)，因而大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)都需配備一個(gè)大型氦低溫系統(tǒng)，其在液氦溫區(qū)的制冷量從幾百瓦到幾十千瓦不等。

EAST 低溫系統(tǒng)是由中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所自主設(shè)計(jì)建造的，于1999年開始設(shè)計(jì)，2006年成功實(shí)現(xiàn)EAST裝置超導(dǎo)磁體首次降溫通電實(shí)驗(yàn)，是目前中國(guó)自主研制的最大氦低溫系統(tǒng)。作為EAST裝置重要的子系統(tǒng)之一，EAST低溫系統(tǒng)的主要作用是冷卻超導(dǎo)磁體，冷卻對(duì)象包括超導(dǎo)線圈、支撐結(jié)構(gòu)和高溫超導(dǎo)電流引線、中性束注入系統(tǒng)的低溫冷凝泵、彈丸注入及其他診斷系統(tǒng)[3]。

1 EAST低溫系統(tǒng)流程

獲得13 K以下的溫度，只能采用氦作為制冷工質(zhì)。氦氣是一種無色、無味的惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的液化溫度為4.2 K(-268.95 ℃)，是最難液化的氣體，而且氦氣不可燃，因此是一種良好的低溫制冷劑。超導(dǎo)磁體系統(tǒng)除了外界的輻射和導(dǎo)熱等熱負(fù)荷外，還有因磁場(chǎng)變化引起的交流損耗及等離子體物理實(shí)驗(yàn)中的核熱等脈沖熱負(fù)荷。根據(jù)EAST裝置熱負(fù)荷分析的結(jié)果，氦制冷機(jī)的設(shè)計(jì)制冷量為1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13 g/s LHe+(13～25)kW/80 K，當(dāng)量制冷量超過2 kW/4.5 K。圖1為 EAST低溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成，包含2個(gè)制冷循環(huán)：一個(gè)是基于液氮預(yù)冷的Claude制冷循環(huán)，制取4.5 K的冷量，共有3臺(tái)透平膨脹機(jī)TB、TC、TD；另一個(gè)是逆Brayton制冷循環(huán)，制取80 K的冷量，采用2臺(tái)透平膨脹機(jī)TA1、TA2。常溫常壓氦氣由儲(chǔ)氣罐或裝置回氣管道吸入，由低壓螺桿壓縮機(jī)組和高壓螺桿壓縮機(jī)組兩級(jí)壓縮，壓力由1.04 bar(1bar=100 kPa)壓至5.1 bar再到20 bar，再經(jīng)過除油系統(tǒng)凈化后進(jìn)入制冷機(jī)冷箱。20 bar氦氣在冷箱中分為兩路。一路設(shè)計(jì)流量為110 g/s，經(jīng)液氮預(yù)冷后由透平TA1、TA2膨脹，用來冷卻80 K冷屏，回氣壓力為5 bar左右，接高壓機(jī)組吸氣端。另一路設(shè)計(jì)總流量為210 g/s，經(jīng)液氮預(yù)冷后，分為兩路：一路設(shè)計(jì)流量為100 g/s，給透平TB、TC串級(jí)膨脹后回到低壓路；另一路設(shè)計(jì)流量為110 g/s，經(jīng)過透平TD膨脹和節(jié)流后，制取4.5 K溫度級(jí)的冷量供磁體降溫，裝置回氣由低壓路或負(fù)壓路回到低壓機(jī)組吸氣端。當(dāng)需要3.5 K制冷量時(shí)，啟動(dòng)油環(huán)泵對(duì)過冷槽進(jìn)行減壓降溫來實(shí)現(xiàn)。10 000 L液氦杜瓦可為制冷機(jī)液化儲(chǔ)存液氦，并且在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行需要的冷量增加時(shí)給予液氦補(bǔ)充。

圖1 EAST低溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 氦壓縮機(jī)站

EAST低溫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，氦壓縮機(jī)站(圖2)為制冷系統(tǒng)提供穩(wěn)定流量、壓力的氦氣。EAST壓縮機(jī)站共有9臺(tái)氦氣噴油螺桿壓縮機(jī)，其中7臺(tái)由中國(guó)產(chǎn)氟利昂壓縮機(jī)改造而成，低壓級(jí)4臺(tái)，高壓級(jí)3臺(tái)。2012年購(gòu)置了2臺(tái)MYCOM公司的大容量螺桿壓縮機(jī)安裝到系統(tǒng)中并投入使用，每臺(tái)壓縮機(jī)自帶2臺(tái)油泵，均配備臥式高效油分，且采用全自動(dòng)控制。壓縮機(jī)出口設(shè)有除油系統(tǒng)，由4臺(tái)油氣分離器、1臺(tái)活性炭吸附器、1臺(tái)分子篩干燥器和粉塵過濾器構(gòu)成。凈化后的氦氣中油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1×10-8，水的體積濃度小于5×10-6，氮?dú)獾捏w積濃度小于3×10-6，碳?xì)浠衔锏捏w積濃度小于1×10-6。氦

圖2 EAST壓縮機(jī)站

氣回收系統(tǒng)由回收壓機(jī)、氣柜等組成，用來回收實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的氦氣，儲(chǔ)氣總?cè)萘窟_(dá)10 000 Nm3(圖3)。

圖3 10 000 Nm3氦氣儲(chǔ)罐

3 制冷機(jī)系統(tǒng)

為了盡可能降低環(huán)境向低溫部件傳熱，氦制冷機(jī)所有的低溫部件集成在一真空容器構(gòu)成的冷箱中，并采用多層真空絕熱，以減少設(shè)備與室溫環(huán)境的傳熱。EAST氦制冷機(jī)有1個(gè)冷箱和1個(gè)低溫閥箱(圖4)。冷箱中包含低溫?fù)Q熱器、膨脹機(jī)、低溫吸附器、過濾器及低溫管道、閥門等。閥箱由一個(gè)測(cè)試液氦槽和測(cè)試過冷槽以及相關(guān)低溫閥門組成，用于在制冷機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，輔助測(cè)試制冷機(jī)的性能指標(biāo)[4]。

圖4 氦制冷機(jī)冷箱、閥箱外形圖

氦透平膨脹機(jī)是EAST低溫系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，通過氣體的絕熱膨脹對(duì)外做功來獲得冷量。其運(yùn)行穩(wěn)定性及效率決定了整個(gè)氦制冷機(jī)的穩(wěn)定性與效率，從而直接影響EAST裝置物理實(shí)驗(yàn)的安全穩(wěn)定進(jìn)行。EAST全新透平采用捷克ATEKO公司的動(dòng)壓氣體軸承電渦流制動(dòng)的透平膨脹機(jī)(圖5)，具有轉(zhuǎn)速高(每分鐘11～18萬轉(zhuǎn))、啟?？臁⒖刂凭雀吆鸵子谡{(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 透平膨脹機(jī)

EAST的熱負(fù)荷總是隨著時(shí)間變化的，在白天實(shí)驗(yàn)和晚上待命狀態(tài)下，熱負(fù)荷會(huì)有較大差別。為提高制冷機(jī)運(yùn)行的效率，利用10 000 L液氦杜瓦儲(chǔ)存夜間多余的制冷量用于補(bǔ)償白天熱負(fù)荷的超額[1]。

4 分配系統(tǒng)

分配系統(tǒng)的主要作用是將從制冷機(jī)輸送過來的低溫流體提供給各冷質(zhì)組件，使工質(zhì)的溫度、壓力及流量等參數(shù)滿足低溫部件冷卻需求。如圖6所示，EAST裝置不同冷質(zhì)部件采取不同的冷卻方式：極向場(chǎng)線圈由制冷機(jī)節(jié)流路提供110 g/s、4.5 K的超臨界氦冷卻；縱場(chǎng)線圈和線圈盒在降溫階段由制冷機(jī)來提供氦流冷卻，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)由氦循環(huán)泵提供大流量的 4.5 K超臨界氦迫流冷卻；氦制冷機(jī)提供 58 K、5.3 bar的氦氣冷卻熱輻射屏(即冷屏)；高溫超導(dǎo)電流引線則是直接采用液氮冷卻；低溫泵和小球注入系統(tǒng)由分配閥箱中的液氦槽直接提供液氦冷卻。

5 低溫測(cè)量控制系統(tǒng)

根據(jù)低溫系統(tǒng)的特點(diǎn)以及對(duì)控制系統(tǒng)的要

圖6 低溫分配系統(tǒng)流程圖

求，低溫控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上包括低溫冗余控制網(wǎng)、數(shù)據(jù)交換網(wǎng)和總控子網(wǎng)系統(tǒng)3個(gè)部分，圖7為低溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。低溫冗余控制網(wǎng)主要是基于Emerson過程控制有限公司的DeltaV軟件所建立的DCS系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成低溫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)低溫系統(tǒng)降溫過程的自動(dòng)控制。數(shù)據(jù)交換網(wǎng)主要基于 OPC(OLE for process control)協(xié)議實(shí)現(xiàn)第三方軟件與 DCS 系統(tǒng)的互聯(lián)，在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存與交互系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。總控?cái)?shù)據(jù)子網(wǎng)部分從結(jié)構(gòu)上是屬于總控網(wǎng)絡(luò)的一部分，在系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)診斷部分低溫測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸，以及低溫系統(tǒng)向總控實(shí)時(shí)發(fā)送關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)。總控?cái)?shù)據(jù)子網(wǎng)相對(duì)于低溫系統(tǒng)來說是外網(wǎng)結(jié)構(gòu)，從網(wǎng)絡(luò)安全角度考慮，在總控?cái)?shù)據(jù)子網(wǎng)與數(shù)據(jù)交換網(wǎng)之間采用防火墻設(shè)置，確保低溫系統(tǒng)內(nèi)部子網(wǎng)的安全。FTP 客戶服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫客戶端是在防火墻之外，可以通過FTP 客戶端向低溫系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)和上傳數(shù)據(jù)；低溫系統(tǒng)向數(shù)據(jù)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，通過總控系統(tǒng)和技術(shù)診斷系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

6 低溫系統(tǒng)的運(yùn)行

從2006年第一輪實(shí)驗(yàn)以來，EAST低溫系統(tǒng)成功保障了裝置的13輪物理實(shí)驗(yàn)，總運(yùn)行天數(shù)為1 460 d。在每輪實(shí)驗(yàn)中，300～80 K的降溫約需要15 d，80～4.5 K降溫需要7 d，整個(gè)降溫過程約需要22 d。待實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)束后，低溫系統(tǒng)從低溫回溫至常溫約需要7 d。EAST低溫系統(tǒng)的歷次運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表1所示，第13輪實(shí)驗(yàn)降溫曲線如圖8所示。

圖7 低溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

7 結(jié)語

EAST低溫系統(tǒng)是由中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所自主設(shè)計(jì)建造，是目前中國(guó)最大的氦低溫系統(tǒng)。自建成以來，EAST低溫系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間1 460 d，成功保障了EAST裝置的13輪物理實(shí)驗(yàn)。在EAST低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)行的各個(gè)階段，積累了大型氦低溫工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了中國(guó)大型超導(dǎo)磁體、聚變裝置等科學(xué)研究的跨越式發(fā)展。

表1 EAST低溫系統(tǒng)歷輪運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì) d

圖8 EAST第13輪實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的降溫曲線

(2017年9月26日收稿)■

參考文獻(xiàn)

[1] 白紅宇. HT-7U超導(dǎo)托卡馬克氦制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析及設(shè)計(jì)研究[D]. 合肥: 中國(guó)科學(xué)院研究生院(等離子體物理研究所), 2002.

[2] 張祉祜. 低溫技術(shù)原理與裝置[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1987.

[3] 白紅宇, 畢延芳, 翁佩德, 等. EAST超導(dǎo)托卡馬克低溫系統(tǒng)及降溫實(shí)驗(yàn)[C]//全國(guó)低溫工程大會(huì)暨中國(guó)航天低溫專業(yè)信息網(wǎng)2007年度學(xué)術(shù)交流會(huì), 2007.

[4] BAI H Y, BI Y F, ZHU P, et al. Cryogenics in EAST [J]. Fusion Engineering and Design, 2006, 81(23): 2597-2603.