陈谦，王爱科，李芳著，张锦华 核工业西南物理研究院 chenqian@swip.ac

1. 核工业西南物理研究院 第十三届全国等离子体科学技术会议 2007, 8, 20-22, 成都 HL-2A托卡马克装置改造方案磁流体平衡的数值模拟 陈谦，王爱科，李芳著，张锦华 核工业西南物理研究院 chenqian@swip.ac.cn 1 HL-2A装置改造的目的和目标 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，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。 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。 1.2 HL-2A装置改造的基本方法 3 HL-2A装置MA级改造方案的模拟计算 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 • 在真空室外重新添置极向场线圈。 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。 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MA级改造方案极向场线圈布局图 HL-2A装置kA级改造方案的主要参数 2.1 极向场线圈设计 HL-2A装置kA级改造方案极向场线圈设计参数 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。 3.2 MA级方案计算结果 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。 HL-2A装置kA级改造方案极向场线圈布局图 HL-2A装置kA级改造方案极向场线圈设计参数 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） 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