EAST全超导托卡马克装置失超保护检测技术的现状及发展
EAST聚变装置长脉冲辐射监测及研究
㊀第43卷㊀第5期2023年㊀9月㊀辐㊀射㊀防㊀护Radiation㊀ProtectionVol.43㊀No.5㊀㊀Sep.2023㊃辐射防护监测㊃EAST 聚变装置长脉冲辐射监测及研究李成勋1,2,霍志鹏1,钟国强1,胡立群1(1.中国科学院合肥物质科学研究院,合肥230031;2.中国科学技术大学,合肥230026)㊀摘㊀要:EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak )全超导托卡马克核聚变实验装置主要利用氘氘为燃料进行等离子体聚变反应,聚变反应会释放大量中子与次级γ射线㊂为了能够准确掌握EAST 聚变装置在高参数长脉冲等离子体放电条件下辐射产物的空间分布信息,利用辐射在线监测系统实现对中子与γ射线的有效监测㊂按照防护需求在EAST 装置大厅内外共布置13个重点监测区域㊂监测系统硬件方面,辐射中子与γ射线测量分别采用基于BF 3正比计数管与氩气的电离室,通过双绞线与以太网的混合组网模式将监测数据传输到采集机,监测系统软件采用基于LabVIEW 的控制采集软件实现对中子与γ射线实时剂量率及累积剂量的采集与存储㊂监测结果表明,EAST 聚变装置在长脉冲高参数等离子体运行条件下,大厅内最大辐射剂量率迅速提高3个数量级以上,放电结束后又很快下降到接近辐射环境本底水平;大厅外由于屏蔽墙的防护作用,辐射剂量率始终保持接近辐射环境本底水平㊂利用辐射在线监测系统不仅可以有效获得放射性数据,而且为辐射安全防护管理提供了数据支撑,确保聚变能安全开发利用与人员安全㊂关键词:EAST ;中子;γ射线;辐射监测中图分类号:TL75+1文献标识码:A㊀㊀收稿日期:2022-10-12作者简介:李成勋(1994 ),男,2017年毕业于安徽理工大学自动化专业,现为中国科学技术大学科学岛分院控制工程专业在读硕士研究生㊂E -mail:chengxun.li@通信作者:霍志鹏㊂E -mail:zhipeng.huo@㊀㊀目前可控核聚变研究途径主要包括磁约束聚变与惯性约束聚变这两种[1]㊂经过长时间的探索,科学家发现利用磁约束实现可控核聚变是实验路径中最具有希望的一种,目前磁约束核聚变的研究主要集中在托卡马克装置上[2]㊂EAST(Experimental Advanced SuperconductingTokamak)托卡马克装置是由中科院等离子体物理研究所自主设计并建造的全超导托卡马克,又称为 东方超环 [3]㊂2021年12月30日,EAST 托卡马克装置成功实现电子温度近7000万ħ条件下1056s 长脉冲高参数等离子体运行㊂EAST 聚变装置采用脉冲放电模式,脉冲持续时间由毫秒至千秒级别不等㊂在放电运行期间,会释放大量放射性物质,其中以放射性中子和γ射线为重点关注对象之一㊂对于短脉冲而言,由于放电时间有限,释放出的辐射影响也相对较小㊂但2021年EAST 聚变装置创造长脉冲高参数等离子体运行记录,脉冲持续时间达到千秒之久㊂在这种运行条件下,会持续释放大量中子及次级γ射线,因此需要了解EAST 聚变装置在长脉冲高参数等离子体运行期间辐射场中子与γ射线的分布及强度,确保运行期间人员及环境的辐射安全㊂本文运用EAST 聚变装置辐射在线监测系统,实现对长脉冲高参数等离子体运行期间场所与环境中子与γ射线的实时监测与存储㊂通过对EAST 聚变装置辐射监测,不仅可以有效获得放射性数据,同时为辐射安全防护提供了数据支撑,保障聚变能安全开发利用㊂对后续实验顺利开展以及保护实验与工作人员都具有重要意义,同时也是对EAST 聚变装置辐射防护水平的一种验证[4]㊂1㊀辐射源项分析㊀㊀EAST 托卡马克装置主要进行氘氘等离子体聚变反应,核反应过程如下:D +D ң3He(0.82MeV)+n(2.45MeV)D +D ңT(1.01MeV)+p(3.02MeV)㊃154㊃㊀辐射防护第43卷㊀第5期㊀㊀氘氘聚变反应直接产生平均能量为2.45MeV 的中子,是聚变中子产生的最主要来源㊂EAST装置放射性来源主要包括以下方面:(1)中子来源包括D-D直接聚变反应产生中子㊁高能逃逸电子与次级高能硬X射线作用某种物质发生光致核反应产生光致中子两部分㊂(2)γ射线来源包括高能离子与装置第一壁和偏滤器等杂质核反应㊁中子与材料在输运时非弹性散射和辐射俘获㊁中子活化设备与材料产生放射性核素衰变等途径[5]㊂(3)EAST装置采用多种加热系统使聚变反应一直运行于高温与高压环境中,当采用中性束注入辅助加热系统时,该加热系统自身就是辐射源,在中性束出束运行期间会产生大量的韧致辐射㊁γ射线以及聚变中子[6]㊂为了降低电离辐射带来的影响,EAST装置建立了有效的屏蔽体结构㊂装置大厅屏蔽墙体长31m,宽28m,高23m,由钢筋混凝土建造而成㊂装置主机四周屏蔽墙的墙体厚度为1.5m,顶层也是钢筋混凝土结构,厚度达到1m,通道大门是注入水的屏蔽水门㊂通过核辐射监测系统实时监测,可以准确地获得不同监测点处的中子和γ射线剂量率,进而可以准确判断大厅外部不同监测点处的辐射屏蔽效果,以及时对薄弱处加强相应的屏蔽处理工作㊂在EAST装置周围环境中,利用移动式中子和γ射线探测设备对实验前的本底环境进行多次测量并取平均值㊂测量结果表明,EAST装置中子环境本底剂量率约为0.003μSv/h,γ射线环境本底剂量率约为0.1μSv/h㊂EAST装置等离子体放电期间,EAST大厅内部脉冲式辐射场中子和γ射线剂量率远远大于本底值,可直接用于EAST放电期间中子和γ射线辐射场的研究㊂大厅外由于绝大部分辐射被钢筋混凝土屏蔽墙屏蔽,仅有极少量辐射通过门缝㊁管道㊁天空反散射等到达外部环境,在EAST大厅外部也能测到放电产生中子和γ射线,但是剂量率较低㊂按照‘电离辐射防护与辐射源安全基本标准“(GB18871 2002)要求,放射性物质向环境排放量保持在排放管理限值以下可合理达到的尽量低水平㊂当前,EAST装置辐射在线监测系统对大厅内外边界辐射报警阈值均设为100μSv/h,当超过此阈值,及时报警以免工作人员误入强辐射环境中㊂聚变中子和γ射线是影响工作人员与环境安全的主要因素,是实现聚变能安全可控利用的一大难点,因此针对EAST聚变装置主要的运行工况和源项建立辐射在线监测系统十分必要[7]㊂2㊀监测系统的设计2.1㊀设计要求㊀㊀EAST周围环境中,每一次等离子体聚变反应放电产生的中子和γ射线的辐射场强度在EAST 大厅内外分布随着空间位置不同而有所不同,并且随着每一次等离子体聚变放电方式不同以及放电参数的不同在监测点的辐射场强度也表现出很大的不同㊂首先,针对大厅内外辐射场强度的差异,需要选择不同探测范围㊁时间响应及灵敏度的探测器,使探测器适用于不同场所的探测要求㊂其次,由于大厅屏蔽墙的屏蔽隔离作用,将大厅内外分成场所与环境区域㊂此时监测点布局既要满足EAST聚变装置放电期间重点监测区域全面覆盖,还要考虑监测点布局合理性,使辐射探测区域满足实验需求㊂接着,在线监测网络结构要相对简单,根据实际情况优化布线方式,要能实现监测数据的统一管理功能㊂通过采集机控制平台能够实现辐射监测数据实时剂量率及累积剂量的采集显示与存储,并且能够长期稳定运行㊂最后,对超过一定阈值的辐射剂量率能够及时准确报警,确保工作人员与周围环境安全[8]㊂2.2㊀探测器选型㊀㊀EAST聚变装置在放电时,大厅场所内中子与γ射线在较短时间内辐射剂量达到较高水平,而放电结束后又在较短时间衰减到低辐射剂量㊂因此大厅场所内需要选择能量响应动态范围宽且时间响应较快的探测器,而大厅外的低剂量的环境区域则选择灵敏度高且能够长期稳定运行的探测器[9]㊂鉴于EAST运行期间高参数㊁持续时间短的 脉冲式 的辐射监测,大厅内部采用高量程的探测器,测量范围0.1~100000μSv/h㊂大厅外辐射为本底水平,外部周围环境采用高灵敏度的探测器,测量范围0.01~10000μSv/h㊂2.2.1㊀中子探测器㊀㊀EAST聚变装置在D-D放电时产生大量中㊃254㊃李成勋等:EAST聚变装置长脉冲辐射监测及研究㊀子,此时大厅内要求中子探测器必须能够准确测量实验场所大厅内短时间且高剂量的中子通量,响应及时且漏计数低㊂为了达到这种探测要求,经过综合考虑,最终选择了ANM型号的BF3正比计数管(ϕ2.5cmˑ13.5cm)㊂探测器经过校准,标定后该探测器的主要技术指标:灵敏度为1.350 nSv/脉冲,测量范围为1~10000μSv/h,能量响应为0.025eV~17MeV,总不确定度小于15%㊂ANM型号的BF3正比计数管高度集成,电极收集输出电流脉冲信号经过前置放大器㊁运算放大器㊁脉冲甄别㊁脉冲成形等电子学处理后输出电压脉冲信号,再通过单片机进一步处理得到计数率和剂量率等辐射信息[10]㊂中子探测器工作电路结构图如图1所示㊂对于EAST聚变装置主机大厅外环境中子的探测,选择了ENM型号的BF3正比计数管㊀㊀㊀㊀㊀图1㊀中子探测器工作电路结构图Fig.1㊀Working circuit structurediagram of neutron detector(ϕ5.0cmˑ35.0cm)㊂标定后该探测器的主要技术指标:灵敏度为0.0133nSv/脉冲,测量范围为1.0ˑ10-3~300μSv/h,能量响应为0.025eV~5MeV,总不确定度小于11%㊂BF3正比计数管对中子辐射产生的脉冲幅度比γ辐射大得多,因此能有效区分中子与γ射线脉冲,对混合场中的辐射产物有很好的甄别能力[11]㊂探测器能量响应范围较宽且能在复杂恶劣的环境下长期稳定工作,被广泛应用于核聚变实验中㊂ANM与ENM型号中子探测器外观及内部结构图如图2所示㊂图2㊀ANM与ENM型号中子探测器外观及内部结构图Fig.2㊀Appearance and internal structure diagram of ANM and ENM neutron detectors2.2.2㊀γ射线探测器㊀㊀EAST聚变装置大厅内对高剂量γ辐射的探测选择了测量范围宽,时间响应快的AGM型号的圆柱形电离室㊂电离室内充有2MPa的氩气,该探测器内部由收集电极㊁高压电极以及保护环等共同组成[12]㊂圆柱形电离室原理示意图如图3所示㊂标定后该探测器的主要技术指标:灵敏度为0.291nSv/脉冲,测量范围为0.1~15000μSv/h,能量响应为50keV~3MeV,总不确定度小于10%㊂对于EAST聚变装置主机大厅外环境γ射线的探测,选择了灵敏度高,工作稳定性强的EGM 型号的球形电离室㊂电离室内充有2.5MPa的氩气,该探测器内部同样由收集电极㊁高压电极以及保护环等共同组成㊂其中,收集电极和高压电极分别由ϕ50mm的小球和ϕ250mm大球构成㊂球图3㊀圆柱形电离室原理示意图Fig.3㊀Schematic diagram of cylindrical ionization chamber形电离室原理示意图如图4所示㊂标定后该探测器的主要技术指标:灵敏度为0.135nSv/脉冲,测量范围为0.01~6000μSv/h,能量响应为50keV~3MeV,总不确定度小于7%㊂经过长期实验检验,该探测器能够很好地适应对EAST聚变装置γ辐射的探测㊂㊃354㊃㊀辐射防护第43卷㊀第5期图4㊀球形电离室原理示意图Fig.4㊀Schematic diagram of sphericalionization chamber 2.3㊀监测点布局㊀㊀EAST聚变装置辐射监测系统共设置13个固定监测点[13]㊂其中,大厅内3个监测点用于探测实验期间大厅内高辐射剂量信息,大厅外10个监测点用于探测大厅外低辐射剂量环境信息㊂每个监测点分别布设一个相邻的中子与γ探测器㊂EAST聚变装置监测点布局如图5所示㊂其中,黑点代表中子探测器,白点代表γ探测器㊂2.4㊀辐射监测网络㊀㊀EAST装置监测点探测器较为分散且距离相对较远,为了将13个监测点的辐射信息集成到统㊀㊀㊀㊀图5㊀EAST聚变装置监测点布局Fig.5㊀Monitoring point layout of EAST fusion device一控制平台上,设立了数据采集机㊂对于方便布线的探测器,采用RS-485串口通信的双绞线连接到采集机,直接利用双绞线通讯的监测点由采集点进行统一供电㊂对于远距离且布线困难的11㊁12和13三个监测点的探测器,利用等离子体所公共以太网进行通信㊂这三个监测点的六个探测器分别采用网口的方式来进行数据读取,采用C2000 N220二串口设备联网服务器㊂整个监测系统采用双绞线与以太网混合组网方式㊂使用RS-485和RS-232相互转换的MOXA-CP-118EL多串口㊀㊀㊀㊀㊀卡,连接到采集机的DB9接口,实现通信数据的传输[14]㊂EAST装置基于LabVIEW开发了中子与γ射线辐射在线监测采集软件,通过串口查询方式获取监测点中子与γ射线的辐射剂量㊂采集软件由数据请求㊁数据显示㊁数据保存等组成,能实现对辐射监测数据的采集㊁获取和存储等功能㊂采集软件的工作界面有实时剂量率㊁累积剂量率㊁报警阈值等数据,能直观获得13处监测点聚变中子㊁γ辐射的时间㊁空间分布信息㊂㊃454㊃李成勋等:EAST聚变装置长脉冲辐射监测及研究㊀3㊀辐射测量2021年12月30日,EAST托卡马克装置第106915炮放电,EAST装置放电时电流㊁环电压㊁电子密度波形图如图6所示㊂放电时等离子体电流为337.39kA,平均电子密度为1.87ˑ1019/m3,脉冲长度达到1056s㊂该装置成功实现电子温度近7000万ħ条件下1056s长脉冲高参数等离子体运行㊂整个实验过程中,辐射在线监测系统持续稳定工作,采集软件及采集电脑未出现死机㊁通信等故障,系统运行稳定性较高,准确获得了长脉冲放电过程的辐射监测数据㊂图7为EAST托卡马克装置大厅内三个监测点γ剂量率变化情况㊂由图7可以看出,长脉冲放电前大厅内三个监测点的γ剂量率在0.10μSv/h附近,放电前的γ剂量率接近环境本底水平㊂聚变装置内部等离子体快速发生聚变反应并释放大量辐射,此时γ剂量率短时间内迅速达到最大值㊂其中,监测点1㊁2和3最大剂量率分别为106.90μSv/h,75.23μSv/h,38.11μSv/h,与放电前接近环境本底水平相比,此时大厅内γ最大辐射剂量率提高3个数量级以上㊂随着放电继续进行,γ剂量率也快速下降达到相对平衡状态,此时监测点1㊁2和3剂量率分别在5.00μSv/h,1.10μSv/h,0.95μSv/h附近㊂当聚变装置连续放电1056s后,等离子体电流㊁环电压以及平均电子密度迅速降为0,此时脉冲放电结束㊂放电结束后,由于不再发生新的聚变反应,不再有新的辐射继续产生㊂此外,装置四周与顶层均采用大量屏蔽材料进行屏蔽吸收且高剂量率辐射维持时间较短,因此,γ剂量率经过一段时间又很快回到放电前0.10μSv/h低剂量辐射水平㊂长脉冲整个放电过程,大厅内三个监测点的γ剂量率波动变化趋势完全一致,差异的只是剂量率大小的不同,产生这种差异的原因是径向距离的不同㊂监测点1距离装置最近,其次是监测点2,最远的是监测点3㊂EAST聚变装置是整个电离辐射的最终来源,越靠近装置辐射强度越大㊂对于大厅内中子剂量率的监测选择了大厅内距离装置最近的监测点1和最远的监测点3进行对比,这两个监测点的中子剂量率如图8所示㊂长脉冲放电前中子剂量率处于较低水平,随着不断放电,中子剂量率也不断图6㊀EAST托卡马克装置第106915炮放电电流波形㊁环电压波形及电子密度波形图Fig.6㊀Waveform diagram of discharge current,Voltage waveform diagram of discharge ring and Waveform diagram of discharge electron density of No.106915thgun in EAST Tokamak device升高,监测点1和3最大剂量率分别达到24.53μSv/h和5.58μSv/h㊂与放电前环境本底水平相比,此时大厅内中子最大辐射剂量率提高3㊃554㊃㊀辐射防护第43卷㊀第5期图7㊀大厅内监测点1㊁2和3的γ剂量率变化情况Fig.7㊀Change ofγdose rate at monitoring point1,point2and point3in the hall个数量级以上㊂大厅内1和3监测点的中子剂量率波动变化趋势左右呈现对称性,放电结束后,中子剂量率也很快回到放电前水平㊂图8㊀大厅内监测点1和3中子剂量率变化情况Fig.8㊀Changes of neutron dose rate at monitoringpoints1and3in the hall为了获得EAST聚变装置大厅外部环境的辐射数据,选择了监测点7和监测点10的数据进行分析㊂图9为大厅外监测点7和10的γ剂量率变化情况㊂从图9可以看出,监测点10的γ剂量率要略高于监测点7,这是因为监测点10位于屏蔽门旁边,EAST聚变装置在长脉冲放电运行时少量γ射线透过屏蔽门进入外部环境中㊂整个放电过程监测点10最大剂量率是0.128μSv/h,γ剂量率仍然是较低水平,不会对外部环境造成影响㊂监测点7位于大厅外北墙,由于屏蔽墙的作用,辐射剂量一直处于极低水平,最大剂量率是0.119μSv/h,再次验证了屏蔽墙的屏蔽效果满足辐射防护要求㊂图9㊀大厅外监测点7和10的γ剂量率变化情况Fig.9㊀Changes inγdose rates at7and10monitoring points outside the hall㊃654㊃李成勋等:EAST 聚变装置长脉冲辐射监测及研究㊀图10为大厅外监测点7和10中子剂量率变化情况,可以看出监测点7和10最大剂量率分别达到0.00368μSv /h 和0.0026μSv /h㊂整个放电过程两个监测点的中子剂量率均处于极低水平,对外界环境辐射影响几乎可以忽略不计㊂通过数据分析可知,EAST 聚变装置辐射防护水平较高,完全能保证工作人员与环境辐射安全㊂图10㊀大厅外监测点7和10中子剂量率变化情况Fig.10㊀Changes in neutron dose rates at monitoringpoints 7and 10outside the hall4㊀结论㊀㊀本文基于辐射在线监测系统实现了对EAST 装置在长脉冲高参数等离子体运行条件下大厅内外区域中子和γ射线的有效监测㊂在硬件方面,根据装置大厅内外辐射强度与实际需求的不同分别选择了测量范围宽,时间响应快和灵敏度高,工作稳定性强的探测器㊂由于监测点距离远近和布线难易程度不同,辐射监测系统采用双绞线与以㊀㊀㊀㊀㊀太网混合组网方式㊂距离较近且布线简便的探测器直接采用双绞线组网连接,而远距离且布线困难的探测器采用C2000N220二串口设备联网服务器,通过以太网进行传输㊂辐射监测系统采用RS -485串口通信,通过MOXA -CP -118EL 多串口卡直接与采集机进行连接,实现对通信数据的传输㊂软件方面使用自行编写的LabVIEW 控制采集软件对13个固定监测点进行实时采集㊁显示以及数据存储[15]㊂EAST 装置在等离子体电流为337.39kA,平均电子密度为1.87ˑ1019/m 3长脉冲高参数等离子体运行条件下,大厅内的中子和γ射线辐射很快达到较高水平㊂以监测点1为例,该监测点中子和γ射线最大剂量率分别达到24.53μSv /h 和106.90μSv /h㊂与放电前环境本底水平(中子环境本底的剂量率约为0.003μSv /h,γ射线环境本底的剂量率约为0.1μSv /h)相比,中子和γ射线最大剂量率均迅速提高3个数量级以上㊂放电结束后又很快回到放电前的低剂量率水平㊂此外,大厅内监测点的辐射剂量率波动变化趋势大致一致,差异只是剂量率大小的不同㊂产生这种差异的原因是径向距离的不同,监测点距离主机装置越近,辐射剂量率越大㊂整个运行过程,大厅外部环境区域监测点7和10中子最大剂量率分别达到0.00368μSv /h 和0.0026μSv /h,γ射线最大剂量率分别达到0.119μSv /h 和0.128μSv /h,中子和γ射线电离辐射始终处于接近环境本底水平㊂通过对EAST 装置长脉冲高参数等离子体运行时辐射中子和γ射线监测,获得了宝贵的辐射原始数据,确保了整个实验过程中工作人员与周围环境辐射安全,保障了EAST 托卡马克聚变装置安全有效运行㊂参考文献:[1]㊀钟德俊.磁约束等离子体边界层里杂质辐射的研究[D].上海:东华大学,2015.ZHONG Dejun.Study of impurity radiation in edge layer of magnetic confined plasmas [D ].Shanghai:DonghuaUniversity,2015.[2]㊀张微,杜广,徐国飞.核聚变发电的研究现状与发展趋势[J].产业与科技论坛,2019,18(8):58-60.ZHANG Wei,DU Guang,XU Guofei.Research status and development trend of nuclear fusion power generation [J].Industrial and Science Tribune,2019,18(8):58-60.[3]㊀闫朝辉.EAST 托克马克往复式快动探针设计与分析[D].淮南:安徽理工大学,2014.YAN Chaohui.Design and analysis on EAST tokamak for fast reciprocating probe system [D].Huainan:Anhui Universityof Science and Technology,2014.㊃754㊃㊀辐射防护第43卷㊀第5期[4]㊀柴竹新,吴宜灿,刘伯学.核聚变装置EAST高可靠性辐射防护控制系统[J].核电子学与探测技术,2005,25(1):28-31.CHAI Zhuxin,WU Yican,LIU Boxue.High reliability radiation protection control system for fusion device EAST[J].Nuclear Electronics and Detection Technology,2005,25(1):28-31.[5]㊀周梦洁,胡立群,钟国强,等.EAST在不同加热模式下的辐射响应研究[J].核技术,2020,43(3):82-88.ZHOU Mengjie,HU 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2015,54(19):4836-4839.㊃854㊃李成勋等:EAST聚变装置长脉冲辐射监测及研究㊀Monitoring and research of long pulse radiation in EAST fusion device LI Chengxun1,2,HUO Zhipeng1,ZHONG Guoqiang1,HU Liqun1(1.Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei230031;2.University of Science and Technology of China,Hefei230026) Abstract:EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)conducts plasma fusion by deuterium and deuterium,which releases large amounts of neutrons and secondary gamma rays.In order to accurately understand the spatial distribution of radiation products in the EAST fusion device under the condition of high parameter long pulse plasma discharge,the radiation on-line monitoring system is used to realize the effective monitoring of neutron andγrays.According to protection requirements,13key monitoring areas are arranged inside and outside the EAST installation hall.In terms of monitoring system hardware,radiation neutrons andγrays are detected by ionization chamber based on BF3proportional counter tube and argon respectively,and monitoring data are transmitted to acquisition machine through twisted pair and Ethernet hybrid networking mode.The monitoring system software adopts the control acquisition software based on LabVIEW to collect and store the real-time dose rate and cumulative dose of neutron and gamma rays.The monitoring results show that the maximum radiation dose rate in the hall of the EAST fusion device rapidly increases by more than3orders of magnitude under the long pulse and high parameter plasma operation condition,and then drops to the radiation background level soon after the discharge.The radiation dose rate outside the hall is always kept close to the radiation background level due to the protective effect of the shielding wall.The online radiation monitoring system can not only effectively obtain radioactive data,but also provide data support for radiation safety protection management to ensure the safe development and utilization of fusion energy and personnel safety. Key words:EAST;neutron;γray;radiation monitoring㊃954㊃。
耀起东方——记世界上首个全超导托卡马克(EAST)东方超环装置
火”） 的托卡马克核 聚 变实验堆 ， 以便 对未 来聚 变示范 堆及 商用聚 变堆 的物 理和工程 问题做 深入探索。
核 聚 变 研 究 是 当 今 世 界 科 技 界 为 解 决 人 类 未 来 能 源 问 题 而 开 展 的 重 大
美、日、 欧３ 处， 并于１ ９ ８ ８ 年开始实验堆
子 能 委员会 （ １ ＡＥＡ） 之外 ， 总 部 分 设
聚 变反应 ． 随着各 国大小不一的托卡马 克装置 的建成 、 投入 运行和实验 ， 托卡 马克显示了较 为光 明的前景 ： 等 离子体 达 到了数百万度 ， 等离子体约 束也 获得
了 明显 效 果 。 科 学 家 们 认识 到 ， 如 果 扩
０ ５ ｋ ｅ Ｖ ， ｎ Ｔ＝ １ ０ 的１ ８ 次 方 ｍ一 ３ ． Ｓ ， 这 是
能： ｌ ； ＝ 的“ 摇 篮”
存 茫 茫 宇 宙 中不 过 沧 海 一 粟 的 普 通恒 星—— 太 阳 ， 对 于 整 个 太 阳 系 而 言 却 是 独 ～ 无 二 的 中心 天 体 在 它 的 内
秒稳 态长脉冲高约束等离子体运行， 创
造 了新 的 世界 纪 录 这一 里程 碑 式 的 重要 突 破 标 志 着 ， Ｅ Ａ Ｓ Ｔ 成 为世 界 上 第一 个 实现 稳 态 高约
束模 式运行 持续 时间达到 百秒量 级 的
托 卡 马克 核 聚 变实 验 装 置 ， 表 明我 国磁 约 束 聚 变 研 究 在 稳 态 运 行 的 物 理 和 工
受 控核 聚 变研 究的 重大 突 破 ， 在 国 际 上 立 刻 掀 起 了一 股 托 卡马 克 的 热 潮 ， 各 国 相 继 建 造 或 改 建 了一 批 大 型 托 卡 马
克 装 置
我国等离子体领域成就和专家
我国等离子体领域成就和专家1——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），有“人造太阳”之称，其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。
2006年9月28日，世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置首轮物理放电实验取得成功，标志着中国站在了世界核聚变研究的前端。
2016年2月，中国EAST物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。
2018年11月12日，从中科院合肥物质科学研究院获悉，EAST实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。
2021年5月28日，全超导托卡马克核聚变实验装置创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。
12月，全超导托卡马克核聚变实验装置度开机运行。
12月30日晚，全超导托卡马克核聚变实验装置实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
2023年4月12日21时，全超导托卡马克核聚变实验装置创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。
专家——吴征威在公共卫生健康领域，他将等离子体技术应用于消毒灭菌，开发出多款康复辅助产品，在解决环境安全、公共卫生、食品保鲜等疑难课题方面取得了显著成绩。
等离子体可以在短时间内杀灭各类细菌、真菌、霉菌等微生物。
利用这一技术，能够高效的形成相对洁净的空间，根据需求快速部署，尤其在自然灾害或重大伤亡事故发生时，此类装备能够在帐篷、车辆、建筑内迅速建立起初级卫生防疫系统。
他主持开发的“便携式等离子体杀菌装置”已形成样机，有望成为一种替代性的物理除菌方法。
此外，他与同事们一起利用等离子体技术对传统的骨科材料进行处理，获得了更安全、生物相容性更好、具有部分自清洁功能的生物医学材料。
失超检测方法 EAST
数据采集卡 选用ADLink公司的PCI-9118多功能数据采 集卡，其主要参数： 32位PCI总线 12位A/D分辨率 采样率最高333 KHZ 16路单端或8路差分输入 三种 Ａ／Ｄ 触发源： 软件触发、可编程 定时器触发与外部脉冲触发
技术路线（二）
使用Microsoft Visual C++ 6.0编程软件，采用Windows多线 程技术，对采集过程单独开辟一线程，以保证采集的正确性， 数据保存在SQL Server 2005数据库。
研究内容、目标和方案
失超信号实时采集和数据显示 隔离放大器自动测试系统
工作计划安排
研究背景及意义
EAST失超检测系统共有84路失超保护信号 PF26路+TF32路+PF高温电流引线24路+TF高温电流引线2路
研究背景及意义
EAST上的失超检测系统已逐步建立和完善 起来！
本课题针对高温超导电流引线的失超检测 系统的研究，完善现有失超检测系统的功 能！
操作方便；
能实现连续、高精度的信号采集； 能根据用户要求灵活设置采样参数及阈值参数； 失超信号实时显示； 失超判别； 失超报警：分低级报警和高级报警； 数据存储； 查询功能；
研究方案
选择基于采集卡与PC机的数据采集系统，采用PCI总线传 输数据，可以大大提高数据采集率，在计算机上实现数据 显示及处理功能。
PLC自动测试框图 PLC测试原理
隔离放大器自动测试系统
PLC自动测试上位机界面图
报告内容
研究背景及意义
国内外失超检测的方法
EAST全超导托卡马克装置清洗及涂覆壁处理技术发展与应用
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟EAST 全超导托卡马克装置清洗及涂覆壁处理技术发展与应用在托卡马克装置中，壁处理技术是提高高温等离子体性能的一个关键手段，主要用于抑制等离子体杂质，降低粒子边界再循环，控制氢同位素比例，提高等离子体品质，保证高参数、长脉冲等离子体运行。
从2006 年EAST 全超导托卡马克装置建成并开始运行以来，发展了不同先进壁处理技术，为等离子体提供了良好的器壁环境，为EAST 装置取得的系列进展创造了基本条件。
这些壁处理技术主要包括器壁清洗技术（烘烤、如磁场不兼容的直流辉光放电清洗、能在强磁场环境中工作的离子回旋放电清洗等），以及硼化、硅化、锂化涂覆壁处理技术。
在全碳壁条件下，通过长时间烘烤（250oC）和直流辉光放电清洗，EAST 装置等离子体放电真空室真空可以达到2x10-6Pa。
利用离子回旋放电清洗可以在强磁场条件下工作的特点，放电间隙离子回旋清洗可以快速清除滞留在器壁的氢同位素，改善粒子再循环。
由于同位素交换，采用氘离子回旋清洗更有利于清除器壁中氢，降低氢在等离子体中比例。
氧化壁处理可以有效清除碳-氘在器壁的沉积层，释放氢同位素，是未来聚变装置清除T 的主要潜在手段。
2006 年EAST 装置建成运行后，利用直流辉光放电或者离子回旋放电，对面对等离子体的器壁表面涂覆一种适合等离子体放电的几百纳米薄膜，如硼化（C2B10H12+He/D2）、硅化（10%SiH4,SiD4+90%He）壁处理。
实验证明硼化可以有效降低等离子体中杂质水平，提高等离子体参数。
然而，由于所使用的材料富含氢同位素，硼化、硅化壁处理后等离子体边界再循环较高，并且等离子体中氢的含量难以降低到25%以下，限。
EAST超导托卡马克接地系统--设计、构建、现状与问题ppt.ppt
（1） 以各实验大厅建筑物基础中的钢筋作为自然接地体，以及建筑物周 围敷设的补充接地体构成各大厅的接地装置。
（2） 各实验大厅内应敷设均压网。均压网应以最严重的接地故障态，按 跨步电势和接触电势进行校核。均压网与接地装置相连，构成各大厅的分 接地网，并在适当位置设立一个，也仅仅设立一个接地端纽。
•各接地母线互相绝缘，各自独立，不得混用，不得形成回路。唯一的例外 是，保安接地与等电位连接G4，通过预埋的接地连接带与接地网作多点连 接（焊接）。形成一个与地网多点相连的环形等电位连接带（网状）。 •除保安接地与等电位连接G4外，各接地母线均引自各实验大厅内分接地网 的接地端纽，且只能有此一点与地网相连（一点接地原则）。各接地母线 采用绝缘支承，互相绝缘并对墙壁绝缘，各自不构成回路。接地母排上设 置若干分接地端纽，以接地支线引向各接地对象－－其布局类似于一树形 结构，如图三所示。
EAST 接地系统
接地系统设计的主要目的与基本内容
系统设计的基础与依据：
•应用接地设计的基本原理， •参考建筑、电力、通讯等系统现有有关接地设计的技术规程和技术标准 （GB国标，及IEC标准等）， •根据接地设计的工程实践及其最新进展， •根据托卡马克装置的结构和运行的特点，以及各分系统的具体要求， •参照国内外同类装置接地设计的经验， •结合本所有关设施的历史与现状，
6、 防止并保护雷击和各种故障时的反击过电压，特别要注意对外界电磁干 扰极其敏感的、对雷电等电磁脉冲和过电压耐受能力很低的电子设备的防护
EAST 接地系统
EAST接地系统构成
接地装置 接地网 接地端纽 接地母线 接地对象 防雷装置 低压配电
EAST 接地系统
实验建筑地网平面图
EAST 接地系统
全超导托卡马克的运行风险和需要采取的对策
全超导托卡马克的运行风险和需要采取的对策全超导托卡马克的定义：不仅纵场磁体而且所有主要的极向场磁体均为超导磁体的托卡马克。
一风险1常规托卡马克所有磁体系统在设计运行的参数范围内均是自安全的；2所有超导托卡马克的超导磁体即使在其设计的运行参数范围内均会在某些运行条件下发生失超，如不加以保护，不能及时将磁体内储存的磁能泄放，超导磁体或与其相关联的某些重要部件将被烧毁；3对于只有纵场是超导磁体的超导托卡马克：运行风险主要来源于超导纵场磁体系统失超。
引起失超的原因可以是：励磁电流过快、过大；制冷系统发生故障；磁体上局部地点温度升高；等离子体电流快速破裂；外杜瓦真空被破坏等等。
失超后的具体风险为：3.1由于纵场是托卡马克上储能最大的磁体系统，因此，发生失超时如不能及时进行失超保护，将会造成磁体系统或相关部件烧毁的严重事故；3.2如果及时进行了失超保护，但泄放回路的时间常数太小，则会使泄放时感生的电压过高而造成部件绝缘击穿，烧毁磁体或相关部件；3.3纵场系统失超时在与之有最强耦合的真空室和内冷屏的极向方向上将感应出电流，这一电流将与纵场作用产生小截面上的扩张力和大环的收缩力，它是一个将造成真空室和内冷屏剧烈振动的冲击力；3.4由于在托卡马克装置上极向场系统与纵场系统的磁耦合很弱，因此在只有纵场是超导磁体的超导托卡马克上极向场的快速变化（包括等离子体电流的破裂）只会对外杜瓦内的纵场磁体系统造成小的影响；4对于全超导托卡马克：在外杜瓦内不仅有超导纵场磁体系统而且全部极向场超导磁体系统也在同一外杜瓦内，由此，除了具有上述纵场系统失超引发的同样风险外还具有更大的运行风险，它是来源于所有极向磁场系统（包括等离子体电流）的特殊运行要求和自身相互之间的强耦合，具体是：4.1等离子体电流的建立必需极向场线圈系统提供极快速（击穿）和快速（电流爬升）的磁通变化：4.1.1在这一阶段，极向场线圈，特别是中心螺管线圈极容易发生失超；4.1.2同时所有与之强耦合的，构成环向回路的金属部件上将会引发感应电压或涡流，前者可以引发电弧，后者将引起部件发热和电动力；4.1.3电弧将会破坏外杜瓦真空，并有可能像预电离一样在外杜瓦内引发更大面积的放电，造成不可收拾的严重后果；4.1.4涡流将引发冷质部件的发热，从而也有可能引发线圈失超；4.1.5涡流引发的电动力将有可能破坏或逐渐破坏绝缘从而引发电弧4.1.6所有与之强耦合的极向场线圈上（包括中心螺管线圈自身）将引发感应高电压，如果任何地方绝缘薄弱或损坏，则一定会引发线圈及其部件烧毁的严重事故；4.1.7在极向场线圈上感应的高电压将一直传递到电流引线箱，如果在超导电流传输线和电流引线箱内绝缘薄弱、损坏和真空度下降均会引发起弧、放电和因此烧毁部件。
EAST超导磁体失超保护有关问题
•（各）系统故障态的分析、评估及整个 装置故障态分析的综合 •故障保护的分级、设计与后备 •故障保护本身可靠性的分析、评估与论 证 (包括试验)
EAST 电源系统故障态分析与保护
特点
电源系统（TF,PF,FC,AH/CD，HF&RPC） •装置中与运行安全关系最为密切的分系统，应该是 各电源及其负载磁体（ AH/CD 天线），以及磁体的 冷却、支承与绝缘。
EAST 电源系统故障态分析与保护
故障诊断与保护程序
故障诊断与保护程序：
实时监测——故障诊断与分类——保 护分级——保护逻辑、控制与连锁— —保护驱动（硬件保护与软件保护） ——后备保护
Eቤተ መጻሕፍቲ ባይዱST 电源系统故障态分析与保护
故障分类
故障分类： •不同运行模式（位形、参数），运行区间， 运行状态（稳态、暂态） ——穷追穷举 —— 暂态过程应考虑系统分布（杂散）参数与波 过程 •孤立故障（单点），关联故障（继发），双 重故障（同时），多重故障——几率递减， 危害性递增——最易发故障与最严重故障
EAST 电源系统故障态分析与保护
快控电源
快控电源： 将依据快控线圈设计参数、结构参数、接地设计、 运行模式、与等离子体的耦合等，与杜世俊密切合 作，按上述考虑进行故障分析与保护设计，并纳入 装置总体故障保护程序。
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EAST 电源系统故障态分析与保护
. . .
•特点：高压、强流，高功率，高储能，强耦合，复 杂性（多因素：真空、低温、结构、接地），重要 性（故障的牵涉面广、危害性大，其保护是最直接 的、最频繁动作的、往往是最终的保护手段）
EAST 电源系统故障态分析与保护
电源系统构成与故障分类
初级电源——变流电源 ——超导磁体——装置及等离子 体 •初级电源：高压电网与变电站，低压配电，备用电源 ，不间断电源——供电安全性——较为成熟，安全性较 高 •变流电源（ AH/CD高压电源） ：过压、过流、过热、失 控（开关、控制）——电源本身可靠性 ——较为成熟， 安全性较高 •负载磁体 （ AH/CD天线） ：失超，短路（内部短路、端 部短路、对地短路），引线故障（短路、开路） ——磁 体本身及失超保护的可靠性——要求很高，经验不多， 风险较大
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被 切 断
难 ， 向 场 线 圈 系统 在 建立 等 离 子体 电流 时必 极 须提 供极 快 速 （ 等离 子 体击 穿 ） 和快 速 （ 电流爬
升） 的磁 通变 化 ， 向场 线 圈 自身 ， 向场线 圈 极 极
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时 闻 ／ ｓ
方 法提 高输 入检 测 信号 的信 噪 比。
１ ２ 采用 失超 保护 检 测 电路原 理 ．
图 １ 典 型 的 失 超 波 形 图
为 了获 得 高信 噪 比的原 始 信号 ， 考虑 到超 导线 圈 为感 性 负 载 ， 获得 的大 部 分噪 声 干扰 而
ＥＳ Ａ Ｔ超导监控系统采用以电压 阈值判别 法为主要失超检测方法。传统的检测方法采用 电桥 法 ， 这种失 超检 测方 法有 着广 泛 的应 用 ， 在
我所 的 Ｈ ７托 卡 马克 装 置 上也 是 采用 这 种 Ｔ一
检测方 法做 为纵 场超 导线 圈 的失超 检测法 。
尽量降低失超指令的误触发。
之 间及极 向场与 等 离子 体 电流 之 间都 会 出现强
一
，
一
耦合 ， 这种 复 杂 的 电磁 环 境 场下 ， 超导 检测信 号 会 淹没 在 大量 的 噪声 信号 中无法 有效识 别真 实 —４０ຫໍສະໝຸດ Ｏ０５０ ｏ０—
的失 超 信 号 ， 以需 要 采 用更 有 效 的信号 检 测 所
文献标 识码 ： Ａ
文章编号 ： ０５ ． ３ （００ ０． ４ － ２８ ９４ ２１ ）９１ ６０ ． ０ ２ ５
Ｅ Ｓ 卡 马克实 验装置 包括 ｌ 纵 场线 Ａ Ｔ托 ６饼 圈和 ｌ ４饼极 向场 线 圈 。作 为全 超 导 托 卡 马 克 装置 ， 不但纵 场线 圈 ， 同时所有 极 向场线 圈都处 在 超导 态 ， 在 世界 托 卡 马克 装 置上 是 首 次实 这
为安全 ， 迅速 的超 导检 测 方 法 。一 方 面在 发生 真正失 超时能够 快速作 出判 断 ， 出失 超指 令 ， 发
１１ Ｅ Ｔ装 置失超 保护 检测 技术 的发展 ． ＡＳ
及时切断电流电源将超导线圈上电流泄放 ； 同
时在正 常实验 运行 时 ， 能够去 除各 种 电磁 干扰 ，
１ 失超 线 圈 检 测方 法
传统的超导线圈超导保护信号检测方法主
要包 括 ： 电压检 测法 ， 温升检 测 法 ， 力检测 ， 压 流
现。全超导托卡马克 的运行存在高风险 ， 体现 在超导磁体储能高易发生失超。特别是极 向场 线圈 ， 由于等离子体 电流的建立必须 由极向场
线 圈系统 提供 极 快速 的磁通 变 化 ， 随之产 生 较
第３ Ｏ卷
２１ ００年
第 ９期
９月
核 电子学 与探 测技术
Ｎｕ ｌａ ｅ ｔｏ ｉｓ ＆ Ｄｅ ｅ ｔｏ ｃ ｎ ｌｇ ｃ ｅ ｒＥｌ ｃｒ ｎ ｃ ｔｃｉｎ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ
Ｖ０ ． ０ Ｎｏ． １３ ９
Ｓ ｐ ． ２ １ ｅｔ ００
Ｅ Ｔ全 超 导 托 卡 马 克 装 置 失 超 保 护 ＡＳ 检 测 技 术 的 现 状 及 发 展
过工程验收达到装置实验运 行要 求。主要介 绍 了 Ｅ Ｓ 超 导装置失 超检 测系统 的基 本结 构 和检 测原 ＡＴ
理， 同时还简述失超检测技术的发展并给 出了实验结果 。 关键词 ：Ａ Ｔ 全超导托卡马克 装置 ； Ｅ Ｓ； 失超检测 ； 纵场线圈 ； 电压互感器
中图分类 号： Ｔ ３ Ｌ６ ２
量检测法 ， 生波检测等。其 中最有效而常用 超 的检测法就是 电压检测法。Ｅ Ｓ Ａ Ｔ超导监控系 统采用 以电压检测法为主要失超保 护检测方 法， 温升和压力检测作为后备保护。 超 导线 圈一 旦发 生 失 超 ， 常 态 电阻 以一 正 定速率传播 ， 检测到失超电压如图 １ 电压检测法失超判别依据 ： 超导检测信号
收 稿 日期 ：０ ８０ －５ ２０ －４０
作者简介 ： 胡燕兰 ， ， 女 高级工程师 ， 主要从事超导 磁
体 失 超 检测 和 保 护 方 面 的 研 究 及 实 验 。
１４ ２ ６
而对 于极 向场 线 圈 进 行 失 超 检 测 更 为 困
１ ｏ ｏＯ
Ｏ
失超 发， 圭
电压 超过 阈值 电压 ， 持 续 设 定 的延 迟 时 间就 并
认定 失超 发生 。
高的交流损耗使极 向场线圈特别是 中心螺管线
圈很容易失 超 。一旦 发 生 失 超 ， 不 能及 时进 如
行失超保护 ， 将会造成磁体系统 或相关部件烧
毁 的严重 事故 。作为超 导检 测系统 需要 选择 最
较好 。
Ｑ Ｄ：超 导保护硬件单元
图３ Ｅ Ｓ Ａ Ｔ装置上 采用端 电压失超检测方法
表 １ ＨＴ 一 ７纵 场 超 导 线 圈保 护 单 元 数 量 及 阈 值 设 定
是磁 场 之 间相 互耦 合 产 生 的感 应 电压 ， 采用 与 磁体 绕组 具有 相 同尺寸 和 面积导 体放 在超 导线 内部 ， 与绞 缆 ， 用次 级感 应 回路 能有效 地抵 参 利
消噪声电压 ， 对抑制 Ｂ上， ∥和 自场电压效果 Ｂ
胡燕 兰 ， 吕环 宇 ， 则 英 ， 朱 陆建 华
（ 中国科学 院等离子体物理研究所六 室 ， 安徽合肥 ２ ０ ３ ） ３０ １
摘要 ：Ａ Ｔ装置是 “ Ｅ Ｓ 九五” 国家重大科学工程项 目之 一 ， 做为 世界上第 一个全超 导托 卡马克装置 ， 其纵场 和极向场线圈全部 由超 导磁体组成 ， 进行安全 ， 准确 ， 有效 的失超保 护是装置 安全运 行的首要 环 节。如何在 全超导托 卡马克装置这样复杂的 电磁环境进行 失超检 测在世 界上 也无先 例可 寻。Ｅ Ｓ Ａ Ｔ上 失超检测系统经过几 十轮单饼超导线圈实验及两轮装置正式放 电实验后 逐步建立 和完善起 来 ， 已通 并