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中科院CRAFT聚变堆主机关键系统超高压设施应用案例

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中性束注入是磁约束聚变装置重要辅助手段，高能量稳态 NBI 系统是 CFETR 实现高参数运行的关键。CRAFT NNBI 高压电源作为 NBI 系统核心，由 10kV 开关柜、整流器、逆变器等八部分集成。其攻克大功率、高电压设计难题，于 2023 年 9 月 12 日顺利通过科技部、中科院专家组验收，为聚变装置研发提供坚实技术支撑。
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一、CRAFT NNBI高压电源系统背景介绍:


　　中性束注入（NBI）由于物理机制清楚和加热效率高等优点，是磁约束聚变装置最主要的辅助加热和电流驱动手段之一。中国聚变工程实验堆（CFETR）基本目标是达到点火条件并实现稳态运行，以开展燃烧等离子体物理和工程技术实验研究。高能量（MeV）、稳态运行的NBI系统是聚变装置实现高参数、高约束模式运行的必要条件之一。


　　电源系统作为NNBI辅助系统的主要部分，在整个NNBI系统中处于重要地位，是NNBI系统束流能量的直接来源，NNBI电源系统如图所示。加速器高压电源是NNBI电源系统中功率大，电压高等级，设计难度高的电源。

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图1：NNBI电源系统图


二、CRAFT NNBI高压电源：
CRAFT NNBI高压电源由①10k V 交流电高压开关柜；②12脉波可控硅整流器；③直流母线；④三相三电平 NPC 逆变器；⑤隔离升压变压器；⑥高压不控整流器；⑦高压直流滤波器；⑧控制系统等八个部分综合集成：
2023年9月12日通过科技部、中科院专家组验收；


表1：NNBI高压电源技术参数

系统组成

NNBI电源

额定输入功率

7000kVA

额定输出电压

200kV

额定输出电流

28A

输出电压范围

20-100%连续可调

输出电压精度

<&#177;2%

输出电压纹波

<&#177;5%

上升时间

<80ms

故障关断时间

<100us


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图2：NNBI高压电源拓扑结构图


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图3：CRAFT NNBI高压电源高压集成


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图4：CRAFT NNBI高压电源集成功率组件


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图5：CRAFT NNBI高压电源集成控制


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图6：科技部、中科院专家组验收