1．概述

　　HL-2A是以德国ASDEX装置主要部件（真空室和磁场线圈）为基础，在核工业西南物理研究院成都新工作区建造的偏滤器托卡马克装置。HL-2A项目是中国聚变研究计划的重要组成部分。HL-2A的任务是探索先进托卡马克的物理问题。随着HL-2A硬件设施的逐步改善，将在HL-2A装置上研究和探索多数重大的聚变物理学问题，如约束改善、偏滤器与删削层物理学、壁处理、磁流体（MHD）不稳定性以及高能粒子、辅助加热与电流驱动等物理问题。第一阶段研究的重点是偏滤器（边缘等离子体）物理与等离子体约束。可以预计HL-2A的实验结果必将为世界聚变研究的发展做出贡献，特别是在辅助加热改善约束和偏滤器物理学方面。实现第一阶段（封闭式偏滤器运行）的研究目标后，我们将把封闭式偏滤器改造成开放式偏滤器，重新设计PF线圈和真空室，并把偏滤器线圈移出真空室，增大等离子体的体积，获得更容易调整的等离子体位形。

　　HL-2A装置于1999年初开始建造，2001年完成土建工程，2001年底完成主机构件的安装，包括真空室和磁场线圈，2002年夏季完成供电与控制系统的建造，而诊断和辅助加热系统正在逐步研制和安装过程中。2002年12月按计划实现了首次等离子体放电。经过有效的壁处理、等离子体电流和水平位置的反馈控制后，取得了极好的重复性放电。迄今为止，达到的运行参数如下：Ip = 320 kA, Bt = 2.2 T，放电持续时间 Td = 1580 ms。

　　本文第二节介绍HL-2A托卡马克的工程进展情况，第三节给出取得的实验结果。

　　2．HL-2A托卡马克装置的工程进展情况

　　HL-2A装置的主要参数为R = 1.65 m，a = 0.4m，Bt = 2.8 T，Ip = 0.48 MA。HL-2A装置的特点是有一个大的封闭式偏滤器室，这在目前的托卡马克实验中是独一无二的，该特征将在加深理解复杂的偏滤器等离子体物理和验证偏滤器物理模型方面做出重大贡献。为了充分利用这一特点，今后我们将着重发展偏滤器等离子体方面的诊断设备。为了研究偏滤器的运行物理学和各种改善约束的机制，在主等离子体相同的条件下，HL-2A装置可以在如下等离子体位形下运行：双零、上单零（SN）、下单零（LSN）位形。

　　我们对原ASDEX的真空室、16个环向场线圈、极向场线圈系统以及支撑结构进行了改装，使之适合于HL-2A的实际情况，但采用了ASDEX最后“版本”的偏滤器靶板。如图2所示，偏滤器由3个多级场线圈MP1、MP2、MP3和2个中性化靶板组成。MP2和MP1/ MP3线圈（上部和下部）各有8匝和4匝。采用不同的供电方式，这些线圈可以产生不同的偏滤器位形。为满足HL-2A实验的要求，HL-2A装置的其他子系统主要有抽气系统、冷却系统、电源系统、诊断系统以及辅助加热系统，这些子系统中，有的已经设计完毕，有的正在安装，有的已经安装完毕。

　　环向场线圈系统、欧姆加热（OH）、垂直场（VF）、径向场（RF）、多级补偿场（MPC）以及8组直流脉冲电源已经建成，这些线圈的布局如图2所示。当放电条件为Bt = 2.8 T、Ip = 0.48 MA时，要求的峰值功率为300MVA、每次放电释放的总能量为1200MJ。电源系统使用了3台发电机（MGs）。对现有的两台完全相同的发电机进行了改造，用90吨的新飞轮替换了原先40吨的飞轮。改造后释放的能量将由100MJ增加到500MJ。两台发电机通过一个12脉冲的二极管整流器为环向场线圈供电。另一台输出功率为125MVA的发电机通过变压器和晶闸管整流器为极向场系统供电。为了核查系统设计及优化反馈控制系统参数，用EMTP编码模拟了电源系统。环向场线圈的电流由发电机组励磁场电流控制，极向场线圈的电流由反馈控制系统控制。研制了一套交流变频的数字控制方法，将交流电的频率变由120Hz下降到90Hz，与发电机转轴旋转速度从1650下降到1200rmp相对应。

　　HL-2A的控制系统是由主机控制系统和放电控制系统两部分组成。主机控制系统配置并管理装置的所有子系统。在主机控制系统中，采用可编程逻辑控制器（PLC）实现了逻辑控制和联锁保护。放电控制系统设计了控制等离子体电流、等离子体位置与等离子体形状的实时反馈控制系统。

　　计划发展的辅助加热系统的总功率约为10MW的，包括4MW的中性束（NBI）、3MW的低混杂波驱动（LHCD）、2MW的离子回旋加热（ICRH）和1MW的电子回旋加热（ECRH）系统。将优先发展有两条束线的4MWNBI系统。按照进度表，在实验的第一阶段将建造2MW 的NBI系统。目前正在安装功率为1MW、频率为68 GHz的ECRH系统和功率为1MW、频率为2.45GHz的LHCD系统。两个加热系统的脉冲持续时间约为1s。然后辅助加热系统将按计划扩建，还将研制在强场侧和弱场侧注入的30发弹丸注入系统。在HL-2A工程建设的第一阶段，将HL-1M装置上的8发弹丸系统拆迁安装到HL-2A上，开展初步的弹丸注入实验。HL-1M实验中首次提出的分子束注入作为一种加料技术在HL-2A实验也将得到进一步的发展。

　　在HL-2A主机上已经安装了大约30种诊断设备。包括装置中平面的HCN激光干涉仪、ECE、汤姆逊散射、CX中性粒子分析仪、热辐射计阵列（16道）、真空紫外（VUV）光谱测量、往复式探针以及可见光谱测量。为了研究偏滤器等离子体的特征，在偏滤器底部安装了五种诊断设备。采用微波干涉仪、靶板朗缪尔阵列和可见光谱测量分别测量电流密度分布、电子温度和Hα辐射。四个靶板朗缪尔阵列分别安装在四个靶板上（上下里外）。每一阵列由3针7探头组成。两探针之间的垂直距离为0.1cm。偏滤器室的快速电离规测量中性气体压强。特别是利用等离子体柱周围的18个线圈采集的信号以及电流丝编码（CF）、等离子体边界识别码，重建等离子体边界（LCFS）。安装在中平面的可见相机是观察等离子体放电最直接的工具。

　　按计划于2002年12月首次等离子体放电以来，放电性能逐步提高。在2003年首轮物理实验中，在Ip = 168 kA, Bt = 1.4 T的等离子体条件下，装置获得了良好的可重复放电，放电持续时间达Td = 920 ms。迄今为止，已达到了以下运行参数：Ip = 320 kA, Bt = 2.2T, ne = 3.2×1013 cm-3 ，放电持续时间为Td = 1580 ms。通过壁处理（硅化）、等离子体电流以及水平位置的反馈控制，获得了良好的放电重复性。

　　3．实验进展

　　3.1 偏滤器位形的识别

　　为了实现偏滤器位形，采用SWEQU编码模拟了HL-2A等离子体平衡与边界，该编码用假定的压强与电流分布求解Grad�CShafranov方程。使用SWEQU编码时，认为假设的压强与电流分布是必须的，但这种假设对等离子体边界重建的影响不是很大。因此，在HL-2A中，没有进行电流分布与离子温度分布的测量，但可以假定某些分布以便获得多级线圈中不同电流配置的等离子体边界。如果垂直场（VF）线圈的电流是等离子体电流的7％，那么孔栏位形放电是很容易实现的。优化VF电流后，就可以得到双零偏滤器位形。当在6％－10％等离子体电流范围内扫描多级电流时，X点垂直位置的最大漂移为3cm,而水平位置保持不变。多级电流与等离子体电流的优化比为18％。我们着重模拟了LSN偏滤器位形，结果表明MP1、MP2、MP3的MP电流以及RF电流要求满足以下方程：IMP1,3/IMP2 = 0.244 (IRF/IMP2)+0.884。SWEQU编码模拟LSN位形的典型结果如图2所示。

　　偏滤器位形可用几种诊断方法识别。CCD相机是最直接的工具，可以拍摄等离子体放电截面的图像。在下偏滤器喉道观察到两个明亮的腿，表明等离子体已经沿磁力线进入下偏滤器室。位于等离子体柱周围的18个磁测量线圈的信号和CF编码（等离子体边界识别码）用于重建等离子体边界（LCFS），重建的磁面和X点的位置如图4所示，LCFS不接触第一壁部件。这些结果不仅与等离子体平衡的模拟结果一致，而且与偏滤器等离子体参数的测量结果相吻合。

　　采用微波干涉仪和靶板上的静电探针阵列测量了内偏滤器室与外偏滤器室的电子密度与温度。在图5中，从上到下分别是等离子体电流、线平均密度、Hα辐射、内外靶板的等离子体温度和密度。所有这些参数都可以在偏滤器位形形成期间测量。偏滤器内室的线平均密度约为1 × 1018 m.－3,是主等离子体线平均密度的1/10。偏滤器靶的等离子体温度约为60eV。图6（a）中将这些测量结果与B2.5编码模拟HL-2A典型参数的结果进行了比较，图6（b）中给出了朗缪尔探针测量的下偏滤器外测和内侧的等离子体密度，以及B2.5编码计算的等离子体密度。结果表明偏滤器室的电子密度与温度的测量结果与B2.5编码模拟的结果是一致的。

　　偏滤器磁场位形非常稳定，这一点可以通过靶板的电子温度分布观察到。偏滤器放电期间，电子温度分布与靶板上打击点不变。这说明偏滤器位形得到很好维持。同时，压强计的测量也表明，偏滤器室的中性气体压强快速上升，因为等离子体撞击靶板后变为中性粒子。当IMP2/Ip 之比在大约9％－10％的范围保持不变，撞击点的位置也不发生变化。这种情况下，偏滤器腿撞击外测靶板Z＝-84cm处，和内侧靶板Z＝-81cm处。在225－235ms之间，IMP2/Ip之比由10％增加到12％，靶板上的等离子体撞击点位置在该时段几乎没有变化。

　　3.2 偏滤器放电期间的杂质研究

　　偏滤器位形的作用非常重要，比如减少杂质辐射、降低主等离子体室的再循环，在HL-2A首轮实验中我们就观察到了这些现象。偏滤器位形的典型特征如图8所示，等离子体电流通过反馈技术控制，在150－230ms之间（两虚线之间），从偏滤器主室获得的光谱辐射I-div (CIII, 464.7 nm)的形态表明形成了偏滤器位形。在此期间，可以观察到在主等离子体区域探测的杂质谱线I-imp (OVI, 103.2 nm 以及 CIII, 464.7 nm) 与Hα 辐射 I-Hα的信号下降。经过t =230ms之后，偏滤器位形消失，主等离子体的杂质辐射跃升到较高值，意味着偏滤器位形大大降低了等离子体辐射和杂质发射。杂质抑制的现象是偏滤器运行的一个典型特征。此外，还发现在等离子体位形存在期间电子密度逐渐下降，当偏滤器位形结束后电子密度立即增大。考虑到这一阶段加料和排气条件不发生变化，由此推断偏滤器位形可以减少壁循环。

　　3.3 硅化的实验结果

　　硅化是一种较好的壁处理方法，在HL-2A托卡马克的壁处理中采用了硅化的方法。如图9（a）和（b）所示，硅化后热辐射与杂质辐射都明显得到抑制。图9（a）是在放电参数相近的条件下，比较硅化前后热辐射计阵列测量的等离子体热辐射的分布，硅化后总辐射下降到约10％，VUV光谱测量也得到了类似的结果。硅化后放电得以改善。放电时初始环电压从12V降低到8V，而后节省二次电压消耗，并且放电时间增大到1.58s。

　　4． 总结与未来规划

　　以原ASDEX主要部件为基础的中国第一个偏滤器托卡马克HL-2A装置在核工业西南物理研究院建造完成。自2002年底首次获得等离子体后，该装置于2003年和2004年完成了两轮实验。装置在各方面都取得了进展，特别是在偏滤器放电与等离子体位形的反馈控制方面的进展尤其显著。到目前为止，已经达到了以下运行参数：Ip = 320 kA,，Bt = 2.2 T ，放电持续时间 Td = 1580 ms。通过等离子体电流和水平位置的反馈控制，获得了良好的可重复放电。装置在孔栏位形和单零点（SN）偏滤器位形两种情况下都开展了运行。采用MHD平衡编码SWEQU模拟了HL-2A SN偏滤器位形。当偏滤器位形形成时，主等离子体的杂质辐射明显降低。

　　在2005年夏季的实验中，HL-2A 装置的运行参数将达到：Ip = 450 kA， Bt = 2.5 T，等离子体持续时间 t > 2 s，在此基础上将开展更多的偏滤器放电实验。1MW LHCD和1MW ECRH系统已经安装就位，将开展离轴电流驱动和加热方面的实验，从而研究磁剪切和内部输运垒。在HL2A装置上将研制比HL-1M装置上气体温度更低，气压更高的先进的超声分子束（SMBI）加料系统，并进一步研究SMBI对等离子体约束的影响。研究弹丸穿透过程与消融机制，我们正在研制弹丸注入系统以及某些新的诊断方法，。当实现封闭式偏滤器运行阶段的目标后，将把偏滤器改造成开放式偏滤器，届时装置将可以在高拉长比和三角形变的条件下实现高β 运行。