CFETR聚变发电厂概念设计技术研究

  目的  基于中国聚变工程实验堆（CFETR）功率输出特性,在聚变堆最大热功率1.25 GW条件下,提出一种CFETR聚变发电厂概念设计方案。  方法  针对CFETR聚变堆周期性长脉冲输出特性与常规岛设备连续稳定输入需求之间的矛盾,采用储能技术方案以“削峰填谷”的方式实现CFETR聚变发电安全稳定运行。讨论了CFETR聚变水冷与氦冷两种不同包层方案下的储能以及一回路与二回路之间耦合与解耦运行模式的组合方案,并通过方案比较,给出CFETR聚变堆不同包层对应的最佳储能运行组合建议。  结果  结果表明:水冷包层、氦冷包层聚变堆分别对应的最佳组合方案是导热油+解耦储热方案与熔盐+耦合储热方案。  结论  从常规岛侧而言,相对于水冷包层方案,采用氦冷包层方案的CFETR聚变发电厂技术经济性更好。研究提出的CFETR聚变发电厂概念设计方案对后续聚变发电技术研究以及工程设计,具有较高的参考价值。     

磁约束聚变堆托卡马克误差场研究进展综述

  目的  托卡马克是公认最接近实现未来聚变堆聚变发电的可行方案，然而在实现聚变发电的路上还存在许多物理和工程技术问题。误差场作为托卡马克不可避免的偏离轴承对称的扰动磁场，即便幅值只有纵场大小的十万分之一，也会诱发锁模，引起等离子体储能大幅降低，进一步降低聚变堆核聚变反应率，甚至引起等离子体破裂，损坏装置第一壁，威胁着聚变堆的安全性和经济性。因此，三十多年来一直是托卡马克重点关注的物理问题之一。  方法  回顾了误差场锁模研究历史，梳理了托卡马克误差场四十多年的研究成果，从实验、理论和模拟的角度比较全面地阐述了误差场研究进展。  结果  在阐明误差场研究进展的基础上，指出了目前国际上误差场研究中重点关注且尚未解决的前沿问题。  结论  希望借此推动我国相关研究继续瞄准国际前沿问题取得新的突破，为磁约束核聚变物理知识体系的建立不断贡献出中国力量。     

CFETR聚变发电厂的储能技术适用性分析

  目的  中国聚变工程实验堆（CFETR）具有功率周期性输出特性,无法直接满足常规发电设备的稳定连续输入需求,CFETR聚变发电厂需要在核岛和常规岛之间配置针对性的工艺系统。  方法  通过调研光热发电工程应用以及聚变发电相关研究,基于CFETR聚变堆初步预期性能,从储能与补能对比、储能技术类型、储热介质、储热系统方案等方面进行分析讨论。  结果  对于采用水冷包层、氦冷包层的聚变堆,分别推荐配置以氢化三联苯型导热油、Solar salt熔融盐为储热介质的间接式双罐显热储热系统,以保证发电侧系统的稳定连续运行。  结论  上述储能技术方案具备规模化商业应用条件,可为CFETR聚变发电厂的整体设计提供支撑。     

ITER聚变装置及其电源系统

  目的  为了实现受控核聚变，研究解决人类未来能源问题，国际热核聚变反应堆（ITER）计划建设核聚变反应超导托卡马克装置。  方法  简要说明了ITER计划的意义与发展，同时对其电源系统的组成与功能以及主要线圈的变流器电源结构与技术参数进行了针对性介绍。  结果  最后，提出了中国在ITER磁体电源方面的优化设计，以及完成的相关磁体电源采购包任务。  结论  中国通过参与ITER计划科研项目，为国际聚变工程技术发展做出了重要贡献。     

CFETR失超保护系统总体设计研究

  目的  中国聚变工程实验堆（CFETR）失超保护系统转移并消耗失超状态下超导磁体中储存的巨大能量,使其免受损坏。为了满足CFETR失超保护系统的设计需求,文章进行了系统总体设计。  方法  介绍了失超保护系统的基本原理和动作逻辑,分别描述了纵场线圈（TF）失超保护单元以及极向场/中心螺管线圈（PF/CS）失超保护单元的系统设计参数。  结果  对当前所设计的两种不同方案进行分析,主要介绍了失超保护开关的拓扑结构、开关动作逻辑以及其他部件的设计需求。  结论  对于系统总体设计方案,由于成本低、占地少、技术相对成熟且可行性高,电流人工过零关断的机械式直流开关作为首选方案。考虑到良好的发展前景,机械开关和固态开关相结合的混合直流开关作为备选方案。     

整流变压器偏磁对托卡马克电源系统谐波不稳定的分析

  目的  为了有效地抑制托卡马克电源系统中非特征次谐波对电网的扰动,研究了托卡马克电源系统低频谐波产生的机理。  方法  通过引入一种改进型的开关函数模型,并选取国际热核聚变实验反应堆(ITER)聚变装置为例,结合其相应的参数建立了其对应的交直流等效电路模型,并通过计算和仿真得到对应的输出2次谐波情况。  结果  通过计算得到输出量与输入量的比值稳定因子值几乎趋向于零。  结论  通过这一计算与仿真结果,可以确定整流变压器直流偏磁不会引起系统的谐波不稳定。     

我国全超导托卡马克核聚变实验装置获重大突破

正1月28日凌晨零点26分,中科院合肥物质科学研究院全超导托卡马克核聚变实验装置EAST成功实现了电子温度超过5 000万℃、持续时间达102 s的超高温长脉冲等离子体放电.这是国际托卡马克实验装置上电子温度达到5 000万℃持续时间最长的等离子体放电.超高温长脉冲等离子体放电是未来聚变堆的基本运行模式.EAST既定科学目标是实现1亿度1 000s的     

CFETR 110 kV电缆接地方案研究

  目的  中国聚变工程实验堆（CFETR）旨在论证稳态燃烧等离子体的工程可行性。站内110 kV高压供配电系统通过电缆等设备为超导磁体电源和无功补偿系统供电，因此高压电缆的稳定工作对实验的开展至关重要。  方法  电缆正常运行需要考虑金属护层感应电势和环流，在对金属护层接地方式充分调研计算后，确定站内110 kV高压XLPE电缆交叉互联接地。利用ANSYS Maxwell软件对三相电缆进行建模，仿真护层感应电压；最后将仿真结果代入Simplorer所构建的等效电路。  结果  其仿真结果显示护层感应电势和环流满足国家标准要求。  结论  为110 kV电缆护层设计的交叉互联接地方案安全可靠，能够确保电缆长期稳定工作。     

聚变发电站总平面布置优化

  目的  在中国聚变工程试验堆(CFETR)的概念设计过程中，厂区总平面布置意义重大，通过对厂区总平面布置面临的储能系统和布置进行比较，初步探索聚变发电厂厂区总平面的布置方案。  方法  根据聚变发电厂工艺流程、储能技术路线及储热介质的分析、研究，通过组合储能方式和布置形成了四种方案，进行了技术经济对比。  结果  熔融盐储能经济优势突出，但高温腐蚀问题对核电站安全运行影响较大，导热油方案则刚好相反。提出的储能区与核岛、常规岛的三角形布置或串联布置方案均符合总平面布置要求，并且能很好地满足全厂热力系统及储能系统热力运行流向。  结论  储能技术路线及储能区的布置是影响聚变发电厂布置的关键因素，提出的布置方案均能很好地适应新增加的储能系统热力运行，为后续聚变发电厂总平面布置提供参考。     

基于DNN的托卡马克等离子体边界重建研究

  目的  为了实现托卡马克在放电过程中对等离子体位形的实时重建，在对相机标定算法分析的基础上，提出一种基于全连接神经网络的可见光边缘重建算法。  方法  该算法的作用是建立像素坐标系和托卡马克坐标系的对应关系进而实现等离子体可见光边缘重建。  结果  在该算法的基础上引入小样本学习，来对全连接神经网络重建算法做进一步改进。  结论  实验结果表明该算法可以精确地对等离子体可见光边缘进行重建，同时也满足系统对实时性的要求。     

核聚变发电厂常规岛主厂房土建设计研究

  目的  核聚变发电是未来核能利用的一种方式。为了研究其常规岛土建设计最优方案，需要结合过往常规火电，以及其他核电常规岛的设计技术进行探讨。  方法  通过从主厂房结构体系、汽机房屋盖结构、汽轮发电机基座选型以及主厂房防火设计四个方面开展方案对比分析。  结果  提出了核聚变发电厂常规岛相应的土建设计方案和设计建议。  结论  成果可以为类似工程项目提供参考。     

永磁直驱风力发电机组弯头形机舱优化分析

  目的  针对某型永磁直驱风力发电机组机舱几何外形不规则，受载荷复杂、重量较大的情况，需对其进行优化分析与设计。  方法  基于有限元方法，建立了机舱的有限元模型，分析了弯头形机舱的几何结构和主要形状影响参数，并基于分析结果对参数进行优化调整与复核计算。  结果  优化后的机舱最大von Mises应力由181 MPa减小到173 MPa，应力降低了4.4%，满足强度要求，重量由52.7 t减小到45.2 t，重量减少了约14.2%。  结论  研究表明，优化效果明显，为风电机组此类机舱设计与优化方法提供了借鉴和参考。