ITER项目是人类历史上规模最大、影响最深远的聚变能源研究项目之一，其目标是通过模拟太阳产生能量的方式，实现可控的核聚变反应，为人类提供清洁、可持续的能源。在这个工程中，脉冲电源系统扮演着至关重要的角色，它是托卡马克装置的“心脏”，为整个实验堆提供动力和保护。
脉冲电源简介
脉冲电源系统是一种能够在短时间内提供高电压或大电流脉冲的电源装置。它通过快速开关电路将直流电转换为高频脉冲电，再经过变压器等元件进行升降压和滤波，最终得到所需的稳定直流电或特定波形的脉冲。脉冲电源系统广泛应用于科研、医疗、工业、国防等多个领域，特别是在需要瞬时大功率输出的场合，如粒子加速器、核聚变研究、等离子体处理、电磁成型等、以及特定的工业过程等。
ITER电源系统功能
在我们前期的文章中就曾提到过电源系统是托卡马克装置的生命线，在ITER项目中，电源系统的关键功能可以概括为以下三个方面：
-能量供给：电源系统为微波加热、中性束注入等系统提供必要的能量，这些系统共同作用于维持聚变反应所需的高温等离子体状态。
-磁场生成：它负责为托卡马克中的超导磁体线圈提供电流，以产生强大的磁场。这些磁场对于约束等离子体并控制其形状至关重要。
-辅助系统供电与保护：除了主要的聚变反应维持功能外，电源系统还为ITER装置的各种辅助系统提供电力，并包含磁体失超保护电路，以确保在发生异常时能够迅速响应并保护设备安全。
ITER的脉冲电源系统结构
在ITER（国际热核聚变实验堆）项目中，脉冲电源系统是实现聚变反应的关键技术之一。它为托卡马克装置提供必要的电磁场，以控制等离子体的行为，确保聚变过程的稳定性和安全性。它包括400kV的高压变电站、磁体变流电源（AC/DC变流器）、无功补偿、直流开关网络、泄放回路以及其控制系统等。这个系统不仅规模庞大，占据了ITER场址约一半的面积，而且在技术复杂性上也是前所未有的。
磁体变流电源在托卡马克装置中扮演着至关重要的角色，它负责维持等离子体在运行过程中的形状、平衡和稳定性，并在等离子体发生破裂或超导磁体出现失超现象时提供保护。这一系统是ITER装置中不可或缺的组成部分，其核心设备包括AC/DC变流器和无功补偿装置。
ITER的变流电源系统服务于50多个超导和常规磁体线圈，这些线圈构成了一个超大型非线性负载，电感参数范围从几百毫亨到数十亨利，它们之间存在强烈的电磁耦合，并且能够储存高达数十GJ的能量。这些线圈需要由22套变流电源进行供电，整个变流系统的安装功率达到了2300兆伏安，是目前全球规模最大的变流电源系统。
特别是极向场电源，它需要能够进行四象限运行并具备环流控制能力。此外，ITER的脉冲电源系统中的无功补偿与滤波系统被设计为69KV电压等级，拥有约600MVA的总容量，配备了能够进行动态调节的静态无功补偿装置（SVC）。
ITER的AC/DC变流系统由大功率整流变压器、晶闸管整流器、电抗器、开关以及控制、测量和保护装置等组成。这个系统具备四象限运行和环流控制的特点，对地电压高达20kV。它面临着严峻的电磁兼容挑战和复杂的控制要求，同时配备了故障抑制功能（FSC）和全面的故障保护措施。
由于其复杂性和庞大的体积，ITER的变流器在设计和制造上都达到了工程领域的尖端水平。这些变流器不仅在技术和规模上具有挑战性，而且在确保ITER装置稳定运行和实现聚变能源目标方面发挥着至关重要的作用。
我国对ITER电源系统的优化设计
自2005年起，我国正式参与ITER项目电源系统的研究与开发。在初期采用的FDR2001设计方案中，存在一些显著的风险和设计上的不足，主要包括：超导磁体电源系统中的内旁通无法正常工作；故障抑制能力不达标；以及系统可能发生过电压和低频振荡等问题。为解决这些设计上的风险和缺陷，国内科研团队提出了一系列优化设计方案：
外旁通优化：通过使用外旁通替代原设计中的内旁通，为超导线圈电流提供了一个稳定的备选通路，显著提升了系统的安全性与可靠性，如图所示。
晶闸管整流桥改进：采用晶闸管整流桥的反并联设计，替代了原有的晶闸管反并联方案，有效减少了系统的最大故障电流（从440 kA降至320 kA），增强了系统的故障抑制能力，如图所示。
串联顺序控制结构：通过多变流器单元的串联顺序控制方式，减少了系统的最大无功需求。此举使得系统无功需求降低了约30%，从大约1,000 MVar降至大约750 MVar。无功容量的减少有助于减轻甩负荷时系统的过电压和低频振荡问题，如图所示。
2008年初，中方基于对ITER电源系统原设计方案的深入分析，提出了存在的潜在问题。通过对外旁通、晶闸管整流桥以及串联顺序控制结构等方面的优化设计和试验验证，中方的方案显著降低了ITER装置运行中的故障风险，并证实了方案的合理性和正确性。在2009年12月的IO-DA会议上，ITER组织和其他六方同意了中方的优化方案。这一成就不仅展示了我国在该领域的技术实力，也为我国赢得了更多的采购包份额。
随着ITER项目的不断进展，我们有理由相信，聚变能源将不再遥远，它将为人类带来清洁、安全且几乎无限的能源供应。脉冲电源系统作为实现这一梦想的关键技术之一，将继续在核聚变研究中发挥重要作用。
参考链接：
- https://mp.weixin.qq.com/s/8nkYDhY8UF_wkEEnE-mfvg
- https://iterchina.cn/jzcxq/info/2010/13098.html