CTD 403氰酸酯在MAST升级中的应用：进展与面临的工程挑战

　　兆安级球形托卡马克（MAST）是英国聚变研究计划的核心。2010年，启动了MAST升级计划，主要目标有三个：一是测试反应堆概念（特别是通过灵活的偏滤器实现Super-X和其他扩展腿配置的排泄解决方案）；二是为国际热核聚变实验堆（ITER）增加知识储备（通过解决重要的等离子体物理问题并开发预测模型以优化ITER的性能）；三是探索使用球形托卡马克作为聚变部件测试设施的可行性（研究启动、电流驱动、稳态行为、高热流处理、等离子体约束、高β运行和性能可靠性）。

　　随着MAST升级计划第一阶段的顺利推进，将在设计、研发和采购领域报告进展和工程挑战。特别是，这将包括新偏滤器的工程挑战和解决方案、为将环向场强度提高1.5倍而开发的升级版环向场（TF）线圈、针对这种主要为双零位配置的设备所采用的垂直位置操控方法、提议的辅助加热系统和正在开发的广泛诊断套件，以最大化升级后装置的科学产出。

　　MAST托卡马克的升级计划第一阶段正在进行中。新装置的带注释的横截面如图1所示。这一阶段将实现以下目标：

　　尽管这些升级将使装置具备高度的能力，但为实现摘要中列出的所有目标，最终还需要额外的系统，包括额外的中性束注入（NBI）功率（总功率高达10MW）、偏滤器低温泵能力、额外的电子伯恩斯坦波（EBW）加热系统（2MW）和高频颗粒注入器。

　　香港星云先进技术有限公司（NAT）是Composite Technology Development（CTD）代理商，我们为客户提供（高性能树脂（环氧树脂、氰酸酯等）、尖端复合材料、能承受压力的容器）产品。

　　如文献[5]所述并如图1所示，MAST-U的两个偏滤器（上部和下部）各自依赖于一组8个极向场（PF）线圈和一个等离子体面对几何结构，该结构允许探索大量偏滤器配置（从传统配置到如Super-X等长腿场景）。这一关键系统的所有硬件均针对升级进行了专门设计，包括16个PF线块石墨等离子体面对瓦片、支撑结构、大量新的诊断设备和2个氦冷低温泵。

　　MAST-U偏滤器（上部和下部）设计用于在多种配置下运行，包括“传统”和所谓的“Super-X”配置[2][3]。后者涉及将偏滤器的外腿定位到外目标瓦片T5上。在这种区域的均匀环向场下，预计功率密度将比传统配置低一个数量级以上。然而，如图1所示，MAST-U装置的TF线圈相对较接近这个外目标。如果不补偿这种效应，Super-X配置的优势将被环向场纹引起的高度非均匀热负荷分布所掩盖（这是由于重新使用MAST容器和外TF支腿，而不是这些先进偏滤器场景的固有缺点）。

　　因此，MAST-U物理团队开发了一种集成设计方法，将优化等离子体面对表面几何形状的代码输出（基于预测的磁场几何形状，从而估算入射热负荷）与用于完成瓦片组件详细设计的Catia CAD模型链接起来。这一过程的结果如图2所示，外偏滤器瓦片的瓦片轮廓被计算为实现这些表面上的环向均匀热负荷分布（±6%）。

　　图2. 瓦片形状所需的12倍对称平面视图，以贴合靠近产生环向场的12对导体的磁场形状，以及局部视图，显示为实现瓦片所需的鞍形轮廓所需的材料去除等高线 容器保护

　　MAST-U的一些运行场景需要将外打击点驱动到接近瓦片T5边缘的位置，不出所料，在这种双零位装置中控制这些先进场景的等离子体将具有挑战性。鉴于这些困难，需要容器保护瓦片来覆盖瓦片T5末端上方的“间隙”（见图3）。然而，诊断偏滤器等离子体和等离子体面对表面的主要视线是通过这一些位置的容器端口。因此，推导出了一种优化的容器保护几何形状，该形状在最大化这些视线的同时，保证了对容器壁和脆弱端口结构（如窗口、快门和敏感诊断设备）的最小粒子通量。此外，还计划通过这一些端口进行有限的维护访问，因此保护瓦片及其相关支撑结构被设计为可以从容器外部轻松释放和提取。CCFE远程处理工程师已作为这一过程的一部分进行了咨询。

　　MAST-U偏滤器设计面临的另一个关键挑战是所需的诊断设备数量之多，以充分诊断关键参数。特别是，与传统偏滤器不同，传统偏滤器的打击点径向位置相对受限，而该装置需要将外打击点定位在瓦片T2到T5的表面上的任何位置（见图1）。因此，每个偏滤器包含400个朗缪尔探针（见图4），空间分辨率为1cm，在两个环向位置（相隔150度）以研究环向不对称性。此外，还将安装12个磁通量环、30个拾取线圈（大多数都用在等离子置控制）和20个光晕电流探测器，以诊断环向峰值因子（TPF）和极向分布。

　　除了朗缪尔探针和磁诊断设备外，偏滤器还将包括一个多点（30Hz）汤姆森散射系统、辐射计阵列、红外和可见光相机视图以及往复探针系统。现有的MAST偏滤器科学设施将被保留并安装在一个“特殊”的T4瓦片上，以便将材料样品引入打击点区域，同时配备静态诊断设备，如减速场能量分析仪（RFEA）。所有这些系统都需要精确集成到等离子体面对部件（PFCs）及其相关支撑结构的设计中。项目严格的配置控制和接口管理流程对于确保交付一个集成的偏滤器概念至关重要。

　　与大多数托卡马克一样，PF线圈在运行期间受到一些较大的电磁载荷（线圈支撑上的最坏情况力可达800kN）。MAST-U的一个关键挑战是设计可承受这些载荷的支撑结构，但同时也要有足够的柔顺性以适应烘烤期间的差异膨胀（容器在200℃烘烤，线℃），以及提供足够的可调性以将每个线圈的磁中心定位在紧密的安装公差内，所有这些都要在有限的空间限制内实现（主要是由于重新使用MAST真空容器，确保整个项目预算在可接受范围内）。这些挑战迫使项目以一种满足上述所有标准的方式对线圈支撑进行创新包装。专注于更具挑战性的线圈支撑之一，特别是Dp线），做出了几个关键设计选择。这些包括：

　　最初计划为“实心机加工”构造，该支撑现在被提议为由许多单独部件组装而成，以降造成本。已适当地检查了这种设计选择的性能和真空兼容性。

　　使用多个层压板以在径向上提供足够的柔顺性（用于烘烤期间的热膨胀），同时在垂直方向上提供足够的刚度（在故障条件下每个支撑预计承受34kN）。

　　使用摩擦接触传递剪切载荷（而不是销钉或紧配合螺栓），以提高疲劳寿命并便于装配。这一选择是在进行了原型试验和测试了所涉及材料和表面处理可以在一定程度上完成的摩擦系数后确定的。

　　在夹头组件中使用楔形和球形结构，允许关节活动并精确调整线圈的垂直位置，同时容纳线圈罐的预期制造变化。

　　图5. 部分组装的Dp线圈支撑原型（由于包装限制，“球”是通过将两个半球形垫片安装在线圈罐上形成的）以及操作期间结构中诱导的典型冯·米塞斯应力等高线。

　　当前的MAST装置的脉冲长度限制为1秒。为实现摘要中列出的目标，需要更长的脉冲。在这种情况下，设定了5秒的目标，要么是2秒的平坦顶，环向场电流为133kA，要么是5秒的平坦顶，环向场电流为102kA。与所有球形托卡马克一样，设计新的MAST-U中心螺线管以提供足够高的磁通摆幅是具有挑战性的。容器中心管内径有限，限制了匝数，迫使设计者最大化电流和脉冲长度。在这种情况下，前者主要是通过使用高强度铜和先进的线圈粘接技术来实现，而脉冲长度则利用Galden冷却液使螺线℃来延长。用于螺线管匝间绝缘的树脂是氰酸酯系统（CTD的403），结合导体的CTD 450底漆；这在高温下提供了高强度。鉴于这样一种材料在聚变应用中的使用有限，已启动了一个重要的拉伸和剪切、静态和疲劳强度测试计划。开发的工艺涵盖了并通过对以下领域的优化来证明符合所需性能：

　　MAST-U的运行场景需要将环向场增加50%，达到0.8T。分析表明，尽管TF回路支腿能承受增加的电流（现在为133kA），但TF中心杆和构成TF线圈其余部分的滑动接头要重新设计。与新的螺线管一样，TF中心杆依赖于高强度、高纯度的铜导体，使用环氧-氰酸酯混合物进行粘接。为了确认和保证构成5米长中心杆的楔块在公差范围内，项目与供应商密切合作，开发了详细的制造工艺。这依赖于仔细安排的加工、热处理和机械校直，以生产出准备好粘接成最终组件的成品楔块。

　　新的滑动接头（见图6）依赖于经过验证的毡金属技术，用于TF回路支腿和中心杆之间的滑动电接触（滑动接触是由于烘烤和运行中的差异热膨胀以及抽真空期间的运动）。滑动接头本体的轮廓和切口最近逐步优化，以确保均匀的电流分布、加热和最小变形。第一批滑动接头现已交付，正在开发原型工具，以便在未来的运行活动中进行拆除、检查和维修。还设计了诊断设备，以仔细监测其在运行期间的状况，并视情况做预防性维护。将使用热电偶、应变计和外部红外相机来实现这一目标。

　　MAST升级旨在成为比MAST性能更高的装置，结果是等离子体在垂直方向上将更加不稳定（增长率高达10倍），并且ELMs可能会出现几倍的能量。因此，对垂直位置控制管理系统提出了更严格的要求，该系统旨在在ELM发生后的5到10毫秒内将等离子体恢复到目标位置的1毫米范围内。

　　如图7所示，设计基于两个被动结构，即所谓的被动稳定环（PSR）和被动稳定板（PSPs），以及一组位于偏滤器鼻区的径向场线。PSPs是一组单独的不锈钢板，其最大的作用是作为石墨护甲瓦片的载体/支撑，但它们被连接成一个电环向连续电路。PSR是一个焊接结构，环向连续。两个被动结构均由不锈钢制成。快速作用的径向线位于这两个结构之间，由4个线圈组成（等离子体两侧各有2个），每个线匝。这些线圈能够最终靠真空容器外的相应电源以多种方式连接和操作。这为操作人员在应对这些相对不稳定的等离子体挑战时提供了某些特定的程度的灵活性（见下文）。

　　为了以合理的成本实现以上描述的目标，已决定采用IGBT技术的开关放大器为P6线圈供电，但峰值功率需求仍然很高，约为9MVA。由于现有直流链路可用功率仅为1.5MVA，这需要仔细控制循环功率和使用一个相当大的电容器组，约200kJ。已与工业界签订了该系统的设计和建造合同，项目正在与供应商密切合作，探索如何将IGBT技术的开关频率扩展以满足MAST-U的要求。

　　2011年的项目重新规划（由详细的预算审查引发）推迟了新双束箱（DBB）的安装，该双束箱在文献[6]中有所描述，本应将总NBI功率进一步增加5MW。然而，作为这一第一阶段的一部分，将完成相关容器端口结构和容器内保护瓦片的修改，以确保在资金允许的情况下尽快添加DBB。

　　因此，升级的主要重点是a）将两个现有2.5MW束线秒，以及b）修改其中一个束线以实现等离子体的偏轴注入。通过增强关键NBI部件（如束源和加速器）的冷却以及升级一些关键束线部件来实现NBI脉冲长度的延长。最具重要意义的是弯磁铁和残余离子倾倒器（RID），它们通过耦合的电磁和粒子追踪分析进行了集成设计。使用有限元模型计算场图，而CCFE内部代码用于确定RID上的结果功率密度分布。通过迭代调整磁铁和RID设计，试图实现小于12MW/m²的峰值功率密度，并最大化全能量、半能量和三分之一能量离子的捕获百分比。所选RID由主动冷却的CuCrZr HyperVapotron元件组成。

　　通过将一个现有的轴向束线毫米至中平面以上，将实现偏轴NBI注入。这需要对束线基础设施进行重大修改，包括新的束线支撑框架、对关键NBI服务（如冷却、真空、气体、控制与仪表等）的修改以及托卡马克内部的若干修改，包括修改P5线圈（为偏轴束的注入腾出足够空间）、新的端口结构和新的束保护结构，用于容器和线圈。

　　MAST-U的主要燃料机制（除了NBI）将是通过气体注入。与所有子系统一样，已为气体燃料系统制定了需求规格，以确保符合顶层目标。特别是，规定提供一个广泛的运行空间，涵盖0.5 MA ≤ Ip ≤ 2 MA的等离子体电流、0.2 ≤ nn Ge ≤ 1（nG = 10^(14) m^(-3)）的平均密度、0.3 T ≤ Bt (R=0.7m) ≤ 0.9 T的环向场以及三角形在0.4 ≤ δ ≤ 0.7范围内的拉长形状以及1.8 ≤ κ ≤ 2.6范围内的拉长。

　　对这一运行空间需求和其他关于燃料类型、响应时间、纯度、冗余性、寿命等需求来做了仔细分析，得出了图8和表1所示的提议燃料位置和流量。容器内气体馈线、阀门和接口的布局正在进行中，然而，图9中包含了一个当前布局的快照，以展示满足这一规格的复杂性程度。一个关键挑战是气体馈线/瓦片接口的设计，它必须确保精确且直接地将气体输送到3个腔室（主腔室、上部和下部偏滤器腔室）中，并且在它们之间基本上没有“漂移”（因为长腿偏滤器配置依赖于维持主腔室和偏滤器腔室之间较大的密度差异，通常相差几个数量级）。这给装配带来了挑战，以确保大量单独的馈线可以正确地安装在瓦片的背面，并且需要仔细调整流道，以确保正确的流量分布在歧管系统中。性能将通过建模和原型测试的组合来评估。

　　升级后的机器运行空间更广，一些部件（特别是线圈）上的机械/热载荷将增加；在某些场景下，预计将在接近设计极限的条件下运行。这将需要一种更复杂且稳健的机器保护方法，该方法将整合一个层次化的系统，以实现机器运行的灵活性和安全性。涉及机器保护的系统将包括：(a) 带有过程级PLCs（可编程逻辑控制器）的SCADA（监控与数据采集）系统；(b) 承载运行参数数据库的中央计算机系统；(c) 驱动脉冲期间机器运行的等离子体控制管理系统（PCS）；(d) 实时保护系统（RTP），该系统在脉冲期间独立计算故障条件并发出“停止”信号；(e) 关键系统（例如螺线管和TF线圈系统）的硬线电子后备装置。

　　在过去24个月中，已克服了大量工程挑战，超过一半的硬件预算已投入，MAST-U项目团队现正为定于2013年10月开始的停机做准备（在停机期间将实施升级的第一阶段）。最新计划表明，完整的拆除、重建和系统调试应在18个月内完成，集成调试将于2015年4月开始，首次科学等离子体将在2016年初出现。

　　在交付升级第一阶段的同时，CCFE继续探索与其他聚变协会的潜在合作，以提供额外的硬件并加速向完整升级的进展，同时为MAST-U实验设想的开创性科学计划做出贡献。

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