“人造太阳”中的“冰”——EAST低温系统

朱志刚，张启勇

中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031

由强磁场约束高温等离子体的磁约束核聚变，被认为是人类最终实现可控核聚变能利用最具前途的方法。随着磁体的大型化，采用超导磁体技术将是未来聚变装置的唯一选择。利用大型超导磁体代替常规磁体应用于托卡马克装置中，不仅可以节省电力，还可以提高磁体电流密度，增大磁场强度，以及提高装置的磁约束能力[1]。全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)，于2006年在中国科学院等离子体物理研究所建成，它是世界上第一台采用全超导体的托卡马克装置。2017年7月3日，EAST实现稳定的101.2 s稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录。实验运行期间，EAST装置内部存在几千万度的高温等离子体，同时在超导磁体中也存在由低温系统提供的4.5 K(-268.65 ℃)极低温度的氦，将超导磁体冷却至临界温度以下，使其工作在超导态。

通过人工的方法使某一物体或空间获得并保持低于120 K的系统称为低温系统[2]。低温系统在气体液化与分离、空间技术和科学研究等领域得到广泛的应用，尤其是利用超导技术的高能加速器、高能粒子探测器和核聚变等大科学装置领域。由于超导材料特性的要求，超导技术的实现需要超导材料工作在一定的低温环境下。目前应用较为广泛的低温超导磁体，通常需要冷却至4.5 K液氦温区，因而大型超导磁体系统都需配备一个大型氦低温系统，其在液氦温区的制冷量从几百瓦到几十千瓦不等。

EAST 低温系统是由中国科学院等离子体物理研究所自主设计建造的，于1999年开始设计，2006年成功实现EAST装置超导磁体首次降温通电实验，是目前中国自主研制的最大氦低温系统。作为EAST装置重要的子系统之一，EAST低温系统的主要作用是冷却超导磁体，冷却对象包括超导线圈、支撑结构和高温超导电流引线、中性束注入系统的低温冷凝泵、弹丸注入及其他诊断系统[3]。

1 EAST低温系统流程

获得13 K以下的温度，只能采用氦作为制冷工质。氦气是一种无色、无味的惰性气体，化学性质极其稳定，在1个标准大气压下的液化温度为4.2 K(-268.95 ℃)，是最难液化的气体，而且氦气不可燃，因此是一种良好的低温制冷剂。超导磁体系统除了外界的辐射和导热等热负荷外，还有因磁场变化引起的交流损耗及等离子体物理实验中的核热等脉冲热负荷。根据EAST装置热负荷分析的结果，氦制冷机的设计制冷量为1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13 g/s LHe+(13～25)kW/80 K，当量制冷量超过2 kW/4.5 K。图1为 EAST低温系统的结构与组成，包含2个制冷循环：一个是基于液氮预冷的Claude制冷循环，制取4.5 K的冷量，共有3台透平膨胀机TB、TC、TD；另一个是逆Brayton制冷循环，制取80 K的冷量，采用2台透平膨胀机TA1、TA2。常温常压氦气由储气罐或装置回气管道吸入，由低压螺杆压缩机组和高压螺杆压缩机组两级压缩，压力由1.04 bar(1bar=100 kPa)压至5.1 bar再到20 bar，再经过除油系统净化后进入制冷机冷箱。20 bar氦气在冷箱中分为两路。一路设计流量为110 g/s，经液氮预冷后由透平TA1、TA2膨胀，用来冷却80 K冷屏，回气压力为5 bar左右，接高压机组吸气端。另一路设计总流量为210 g/s，经液氮预冷后，分为两路：一路设计流量为100 g/s，给透平TB、TC串级膨胀后回到低压路；另一路设计流量为110 g/s，经过透平TD膨胀和节流后，制取4.5 K温度级的冷量供磁体降温，装置回气由低压路或负压路回到低压机组吸气端。当需要3.5 K制冷量时，启动油环泵对过冷槽进行减压降温来实现。10 000 L液氦杜瓦可为制冷机液化储存液氦，并且在实验运行需要的冷量增加时给予液氦补充。

图1 EAST低温系统的结构

2 氦压缩机站

EAST低温系统运行时，氦压缩机站(图2)为制冷系统提供稳定流量、压力的氦气。EAST压缩机站共有9台氦气喷油螺杆压缩机，其中7台由中国产氟利昂压缩机改造而成，低压级4台，高压级3台。2012年购置了2台MYCOM公司的大容量螺杆压缩机安装到系统中并投入使用，每台压缩机自带2台油泵，均配备卧式高效油分，且采用全自动控制。压缩机出口设有除油系统，由4台油气分离器、1台活性炭吸附器、1台分子筛干燥器和粉尘过滤器构成。净化后的氦气中油的质量分数小于1×10-8，水的体积浓度小于5×10-6，氮气的体积浓度小于3×10-6，碳氢化合物的体积浓度小于1×10-6。氦

图2 EAST压缩机站

气回收系统由回收压机、气柜等组成，用来回收实验结束后的氦气，储气总容量达10 000 Nm3(图3)。

图3 10 000 Nm3氦气储罐

3 制冷机系统

为了尽可能降低环境向低温部件传热，氦制冷机所有的低温部件集成在一真空容器构成的冷箱中，并采用多层真空绝热，以减少设备与室温环境的传热。EAST氦制冷机有1个冷箱和1个低温阀箱(图4)。冷箱中包含低温换热器、膨胀机、低温吸附器、过滤器及低温管道、阀门等。阀箱由一个测试液氦槽和测试过冷槽以及相关低温阀门组成，用于在制冷机单独运行时，辅助测试制冷机的性能指标[4]。

图4 氦制冷机冷箱、阀箱外形图

氦透平膨胀机是EAST低温系统中的关键设备，通过气体的绝热膨胀对外做功来获得冷量。其运行稳定性及效率决定了整个氦制冷机的稳定性与效率，从而直接影响EAST装置物理实验的安全稳定进行。EAST全新透平采用捷克ATEKO公司的动压气体轴承电涡流制动的透平膨胀机(图5)，具有转速高(每分钟11～18万转)、启停快、控制精度高和易于调节等优点。

图5 透平膨胀机

EAST的热负荷总是随着时间变化的，在白天实验和晚上待命状态下，热负荷会有较大差别。为提高制冷机运行的效率，利用10 000 L液氦杜瓦储存夜间多余的制冷量用于补偿白天热负荷的超额[1]。

4 分配系统

分配系统的主要作用是将从制冷机输送过来的低温流体提供给各冷质组件，使工质的温度、压力及流量等参数满足低温部件冷却需求。如图6所示，EAST装置不同冷质部件采取不同的冷却方式：极向场线圈由制冷机节流路提供110 g/s、4.5 K的超临界氦冷却；纵场线圈和线圈盒在降温阶段由制冷机来提供氦流冷却，在实验运行时由氦循环泵提供大流量的 4.5 K超临界氦迫流冷却；氦制冷机提供 58 K、5.3 bar的氦气冷却热辐射屏(即冷屏)；高温超导电流引线则是直接采用液氮冷却；低温泵和小球注入系统由分配阀箱中的液氦槽直接提供液氦冷却。

5 低温测量控制系统

根据低温系统的特点以及对控制系统的要

图6 低温分配系统流程图

求，低温控制系统网络结构上包括低温冗余控制网、数据交换网和总控子网系统3个部分，图7为低温控制系统结构图。低温冗余控制网主要是基于Emerson过程控制有限公司的DeltaV软件所建立的DCS系统，负责完成低温系统中数据采集与监控，并实现低温系统降温过程的自动控制。数据交换网主要基于 OPC(OLE for process control)协议实现第三方软件与 DCS 系统的互联，在本系统中实现复杂数据采集与处理系统、数据转存与交互系统、远程监控系统与DCS系统的数据交互。总控数据子网部分从结构上是属于总控网络的一部分，在系统中主要实现技术诊断部分低温测量数据的传输，以及低温系统向总控实时发送关键点数据。总控数据子网相对于低温系统来说是外网结构，从网络安全角度考虑，在总控数据子网与数据交换网之间采用防火墙设置，确保低温系统内部子网的安全。FTP 客户服务端和数据库客户端是在防火墙之外，可以通过FTP 客户端向低温系统获取数据和上传数据；低温系统向数据客户端发送数据，通过总控系统和技术诊断系统进行数据交互。

6 低温系统的运行

从2006年第一轮实验以来，EAST低温系统成功保障了装置的13轮物理实验，总运行天数为1 460 d。在每轮实验中，300～80 K的降温约需要15 d，80～4.5 K降温需要7 d，整个降温过程约需要22 d。待实验运行结束后，低温系统从低温回温至常温约需要7 d。EAST低温系统的历次运行时间统计如表1所示，第13轮实验降温曲线如图8所示。

图7 低温控制系统结构图

7 结语

EAST低温系统是由中国科学院等离子体物理研究所自主设计建造，是目前中国最大的氦低温系统。自建成以来，EAST低温系统累计运行时间1 460 d，成功保障了EAST装置的13轮物理实验。在EAST低温系统设计、建造与运行的各个阶段，积累了大型氦低温工程技术经验，推动了中国大型超导磁体、聚变装置等科学研究的跨越式发展。

表1 EAST低温系统历轮运行时间统计 d

图8 EAST第13轮实验运行的降温曲线

(2017年9月26日收稿)■

参考文献

[1] 白红宇. HT-7U超导托卡马克氦制冷系统热力学分析及设计研究[D]. 合肥: 中国科学院研究生院(等离子体物理研究所), 2002.

[2] 张祉祜. 低温技术原理与装置[M]. 北京: 机械工业出版社, 1987.

[3] 白红宇, 毕延芳, 翁佩德, 等. EAST超导托卡马克低温系统及降温实验[C]//全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网2007年度学术交流会, 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.