全球首套球形托卡马克光纤涡流测量系统研制成功

近日，在北京市科委京津冀创新协同项目的支持下，新奥能源研究院与北京世维通光智能科技有限公司开展联合攻关，针对托卡马克装置中的关键电流诊断难题，成功研制出全球首套适用于球形托卡马克装置的光纤涡流电流测量系统。该创新成果已发表于国际知名等离子体领域期刊《Plasma Science and Technology》，标志着我国在磁约束核聚变诊断技术领域取得又一重要突破，为解决同类紧凑型聚变装置中的涡流诊断难题，提供了全新的技术路径和可靠工具。

在托卡马克装置中，真空室及其他导电结构在等离子体启动、电流爬升及破裂等快速变化过程中会感应产生环向涡流。这些涡流在工程上会等效引入额外磁通消耗，降低装置的可用伏秒数，并对磁诊断信号造成干扰，从而影响等离子体位形重建与控制精度。

相比常规托卡马克，球形托卡马克具有中心柱结构紧凑、导电部件集中、背景磁场强度高等特点。在此条件下，传统基于磁探针或模型反演的方法难以实现涡流的直接测量，特别是在强背景磁场（数特斯拉量级）和有限安装空间约束下，诊断系统的动态范围和抗干扰能力面临严峻挑战。

面对这一挑战，新奥能源研究院与北京世维通公司通过研发合作，创新性地提出了硬件补偿式双回路光纤电流传感器（FOCS） 解决方案。该系统核心亮点包括：

1.双回路设计：一个内环光纤传感器安装于真空室内壁，专用于测量等离子体电流（Ip）；一个外环光纤传感器环绕装置外部，用于探测包含等离子体电流、所有外部线圈电流以及真空室涡流在内的总环向电流。

2.独创硬件实时补偿：针对多匝中心螺线管（CS）线圈产生的、远超传感器量程的主导背景磁场（等效电流超过12 MA），系统创新性引入两级硬件补偿光纤环。通过精密缠绕306匝的“粗补偿”环，在物理层面实时抵消绝大部分背景磁场，再结合可精细调谐的补偿光纤，将残余误差抑制在低水平，显著提升了信噪比。

3.光纤技术固有优势：基于法拉第效应的FOCS技术，具备本质电气隔离、抗电磁干扰能力强、结构紧凑、耐辐射等优点，非常适合在托卡马克的强电磁、复杂空间环境中进行高精度、长距离测量。

该联合研制的FOCS系统已成功部署于新奥“玄龙-50U”球形托卡马克装置上，并进行了全面的实验验证。

1.补偿性能验证：在仅CS线圈运行的放电中，系统成功将强大的CS电流信号抑制到可忽略的水平，证明了硬件补偿方案的有效性。

2.涡流动态测量：在完整的500 kA等离子体放电实验中，系统成功重建出峰值约120 kA的净环向涡流动态波形，与基于互感模型的数值模拟结果高度吻合。

3.支撑物理研究：“玄龙50U”创新地采用EC（电子回旋）击穿和启动，EC和CS协同爬升的等离子体启动方案，利用该诊断定量评估了这种启动方案对涡流的抑制效果，为优化球形环等离子体启动方案提供了直接支撑。

本研究不仅是光纤传感技术在复杂聚变环境中一次高难度的成功应用示范，更提供了一种实时、高精度、鲁棒性强的涡流直接测量工具，未来可进一步用于：

1.提升等离子体控制精度：为实时平衡重建和等离子体控制提供更准确的涡流信息，实现更高精度的平衡重建结果和控制精度。

2.深化物理理解：帮助理解等离子体的零场建立、等离子体击穿、爬升和破裂等快速变化过程。

3.指导工程设计：该方案不仅为“玄龙-50U”装置量身定制，其硬件补偿思想与双回路设计，也为未来其他面临强干扰背景的聚变或高能物理装置电流测量，提供了可移植的解决方案思路。