新知｜核聚变装置的生命线——电源系统

核聚变托克马克装置研究的最终目的是实现可控的核聚变反应，并用于商业发电。但是作为一种巨型的工程装置，托克马克运行本身也需要消耗大量的电力能量，而这些能量绝大部分消耗在托克马克装置的电源系统上。

电源系统是托克马克装置的重要设备，可以说是核聚变装置的生命线，电源系统主要包括环向场线圈供电电源和极向场线圈供电电源。它们主要的任务是在环向场线圈和极向场线圈中激励起可控的巨大电流，产生约束等离子体需要的螺旋磁场。

经过演化后的托卡马克基本机构

与一般工业供电相比，托卡马克装置供电有如下特点:

一、脉冲电源工作方式：

由于托卡马克装置是脉冲工作方式，所以电源也是脉冲工作方式。这是由于等离子体电流是靠消耗欧姆线圈提供的有限摆动的伏秒数而产生、建立和维持的。其放电时间从几百毫秒、几秒到数分钟不等；最长的记录是日本九州大学TRIM-A的5小时16分。

二、大功率供电：

对中小型托克马克装置脉冲供电总功率，在我国相当于一个小型发电站的输出功率，对于大型托克马克装置，相当于一个大型发电站的输出功率。下表是两个大型托克马克装置的环向场运行功率参数：

JET

ITER

充电阶段峰值功率/MW

550

60

充电时间/s

≈8

≈1800

平顶端的平均功率/MW

300

≈0

三、储能设备容量巨大：

在一些托克马克装置中，电源不可能连续满足负载供电要求，负载不可能连续或过高地从电网吸收功率，这就需要储能设备来提供。大的超导线圈为电力系统稳定和补偿负载波动开辟用了一条新路。如果采取适当的能量输送线路可以得到很高的效率（90%）。例如ITER中18个环向场线圈储能达到40ＧＪ。

ITER环向场超导线圈（黄色部分）和极向场超导线圈（红色部分）

线圈储能带来的副产品是线圈超导失超的时候，巨大的能量需要泄放。给大家做一个演算，计算ITER环向场线圈储能的当量（折算成烈性炸药ＴＮＴ）

1KGTNT=4.2×106J；40GJ÷4.24.2×106/KG≈10000KG=10T

即ITER环向场线圈的储能如果在一瞬间释放出来，其破坏力相当于10吨的TNT炸药。

四、对电网冲击巨大：

对中大型非超异装置都使用交流飞轮发电机组提供交流电源，为了提高托克马克装置的磁场幅值，超导线圈大量使用，对于超导装置，都直接使用电网供电，使用闸管变流器将电网大的交流功率转换为直流输送给负载。它产生谐波对电网供电质量有一定的影响，甚至直接拉低电网电压，使上级开关跳闸。通常的补救方法是建设大容量的无功补偿设备。下图就是等离子体所为ITER建立的80Mvar无功补偿设备：

此外，托克马克装置的其他电源系统还包括快控电源、成型场线圈电源、偏滤器线圈电源以及中性束注入、离子回旋共振加热、低杂波电流驱动中的高压电源，它们的电源结构形式多样，在此不一一赘述。