磁约束核聚变托卡马克装置研究进展与展望

本文围绕磁约束核聚变实验阶段的重点科学问题以及聚变工程化过程中面临的主要挑战,重点介绍了国内外托卡马克装置的发展历程及现状,概述了主要在役托卡马克装置的基本参数、主要任务、重要里程碑、当前重点研究方向及相关发展规划等。国际磁约束聚变研究已由等离子体物理实验为主逐步迈向重点聚焦聚变堆核工程与技术研发阶段,加快建立聚变能开发产业体系是推动受控核聚变技术发展的关键。本文还对磁约束核聚变托卡马克的未来发展方向和技术路径进行了分析和展望,并归纳提出加速聚变发展需尽快布局的核工程与核技术重点方向。

磁约束聚变方案中的磁镜、场反及偶极场位形研究进展

随着高温超导技术的日趋成熟,中小型磁约束装置的优势日渐明显。与大型托卡马克相比,偶极场、场反位形和磁镜等装置的结构相对简单,建造和维护成本较低,且更易实现能维持高等离子体压强的磁场位形,这意味着在低磁场下能实现更好的等离子体约束。此外,这些装置在物理原理上具有各自独特的优势,如磁镜装置具有开放的磁场位形和相对简单的结构设计,能支持灵活多样的实验并保持相对稳态运行;场反位形(FRC)装置的极高β值(β为等离子体压强与磁压之比)使得基于FRC的聚变装置在工程上更可行;偶极场装置因其类似地球磁场位形,具有天然良好的磁流体稳定性,有助于维持等离子体的约束。本文重点介绍了磁约束聚变方案中的磁镜、场反位形及偶极场的研究历史、技术进展和未来发展方向,阐述了这3类装置在聚变能研究中的重要性及面临的挑战。此类装置的小型化和经济性也使其在商业化方面更具潜力,能更灵活地进行技术调整和技术创新融合,吸引更多商业资本投入,加速聚变能的实现。

我国磁约束核聚变能源的发展路径、国际合作与未来展望

[目的]聚变能源具有反应释放的能量大、运行安全可靠、燃料来源丰富、环境污染小等特点,有望成为一种可以大规模市场化供应的商业能源,在未来提供稳定的能源输出与电力供应。为了普及我国磁约束核聚变能源的发展路径,文章综述了聚变能的发现及实现途径。[方法]采用文献综述的方式简要介绍了我国磁约束聚变能源的早期研究发展历程,并以磁约束聚变能源的发展为例,初步给出了我国对于托卡马克装置、仿星器装置、球形托卡马克装置、反场箍缩装置、磁镜场装置、直线装置和偶极磁场装置等典型磁约束等离子体研究装置的建设情况。[结果]在这些装置的建设及研究基础上,我国磁约束聚变研究领域培养了一批科技人才,取得了长足的发展和进步。同时,文章概述了聚变能源研究的国际合作情况,以及我国参与建设的国际热核实验堆项目。[结论]虽然现阶段聚变能源的研究仍需克服来自燃烧等离子体物理、聚变堆材料、氚自持技术等多方面的巨大挑战,但在国家对能源结构转型的迫切需求以及对于聚变研究的大力支持下,相信在不远的将来我国磁约束聚变能源的发展将由蓝图变为现实。

磁约束燃烧等离子体物理的现状与展望

本文从设计和运行托卡马克聚变堆需求的角度,简要概述了托卡马克高约束运行方案和高能量粒子约束涉及的关键物理的发展现状和挑战.过去几十年中,托卡马克高约束模式物理研究取得了重要进展,明确了聚变堆运行区的主要稳定性和约束的限制条件及其性能优化的主要调控手段,发展了感应、混合和稳态等若干可能适用于未来托卡马克聚变堆的运行方案.在反应堆阿尔法粒子加热主导的条件下,潜在主导阿尔法粒子输运损失的阿尔芬不稳定性的线性谱特征和激发机制得到了充分的理解;在阿尔芬不稳定性的非线性饱和、阿尔法粒子约束,及通过加热沉积和微观湍流对等离子体约束的影响等方面开展了大量的实验和理论探索.当前,磁约束聚变物理已进入临近点火燃烧等离子体研究的新阶段,面临着全新的挑战,如:聚变堆条件下如何实现高能量阿尔法粒子对等离子体有效自加热;在阿尔法粒子自加热为主条件下,如何通过调控等离子体关键参数分布维持等离子体稳定性和高约束性能,实现聚变堆高效安全运行;能否建立全尺度模型,实现聚变堆复杂等离子体的长时间动力学过程的准确预测等.这些关键问题的解决,可为未来聚变堆的设计和运行奠定坚实的物理基础,同时推动等离子体学科的发展.

新时代的“夸父追日”——记磁约束核聚变大师潘垣

从磁约束聚变、脉冲功率、等离子体科学技术,到脉冲强磁场、新一代开关电器等,他一次一次跨越本专业,开拓新的发展方向,为祖国强大贡献科研力量;在自己的所有科研成果中,最令他骄傲也最让他牵挂的,就是“人造太阳”。他,就是潘垣!2022年6月,潘垣院士获湖北科技突出贡献奖。提及这一次获得突出贡献奖,潘垣作为一名科研工作者,他始终把个人追求同国家追求高度统一,兢兢业业、不懈奋斗。为什么叫“人造太阳”?“因为它的目标就是能源。核聚变能源就是要把氢弹控制起来,让它慢慢地释放能量。”潘垣如是地说。

美磁约束聚变研究取得重要突破

【英国《独立报》2024年4月25日报道】美国通用原子能公司(General Atomics)托卡马克磁约束聚变研究近日取得重要突破。在利用DIII-D国家聚变设施开展的实验中,成功将等离子体密度提高到比格林沃尔德限值(Greenwald limit)高20%的水平,并维持了2.2秒。这一突破性成果已在近期出版的科技期刊《自然》发表。

永磁约束二极管阳极管头轰击现象研究

针对永磁磁场约束下的二极管中阳极管头处出现的螺旋状轰击痕迹现象,理论研究了电子在轴向引导磁场约束下的空间运动轨迹,指出空间运动轨迹是大回旋运动与小回旋运动的合成。通过进一步3维粒子运动模拟验证了粒子运动过程,并给出了不同轴向位置处发射电子在阳极管头落点的模拟结果。模拟结果表明,由于空间角向运动位移不同,不同轴向位置发射的电子会落在阳极管头不同角向位置处,落点呈螺旋状分布。同时开展了相应的实验研究,比较不同位置处天鹅绒阴极发射对阳极轰击的痕迹。实验结果表明,阴极引杆及阴极底座的联合发射电子在永磁场的约束下轰击阳极管头形成了螺旋状轰击。通过分析,排除了H-离子及其他负离子轰击阳极管头的可能性。

磁约束聚变装置辐射监测系统概况

采用氘、氚燃料的核聚变反应会产生大量的中子、γ射线及活化产物等,对人员和环境的辐射安全产生影响。为了减小电离辐射带来的影响,需要准确掌握聚变装置核辐射场强度的时间与空间分布信息。世界上已建设的磁约束聚变装置,均根据其自身运行工况特点,建立了完整的核辐射监测系统来应对电离辐射带来的潜在影响。通过对磁约束聚变装置运行及维护期间辐射剂量的监测,获得实验场所与外围环境的电离辐射和放射性核素数据,为辐射安全防护管理提供数据支撑。基于对国内外磁约束聚变装置辐射监测系统的调研,本文归纳了此类装置主要的电离辐射源项及监测系统架构,进而介绍了磁约束聚变中子与γ辐射剂量的测量方法及常用探测器。最后综述了国内外核聚变装置辐射监测系统的研究状况,展望了未来核辐射监测系统的发展趋势与目标。

磁约束等离子体中的高能量粒子专题编者按

磁约束聚变等离子体中,中性束注入或射频波加热能够产生几十千至兆电子伏特能量的高能量粒子,氘氚聚变产物阿尔法粒子的初始能量为3.5 MeV.高能量离子通常具有较大径向尺度的运动轨道,一般不会冻结在磁力线上,可能还出现直接的轨道损失.由于高能量粒子存在固有的自由能(压强梯度和速度空间各向异性),其特征轨道运动会与剪切阿尔芬波及低频磁体不稳定性发生共振相互作用,激发各种阿尔芬本征模和能量粒子模不稳定性,如环向阿尔芬本征模和鱼骨模等.这些不稳定性与高能量粒子之间的非线性相互作用反过来会导致高能量粒子对流及扩散损失.直接轨道损失和输运损失的高能量粒子有可能轰击在聚变反应堆的第一壁上,缩短第一壁使用寿命,甚至会导致反应堆无法正常运行.

磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展

核聚变能是潜在的清洁安全能源,其最终的实现对中国能源问题的解决尤其重要。磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题:高参数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用(Plasma-Wall Interactions,PWI)过程和机理的深入理解。PWI现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面以外的边界等离子体(又称为刮削层,Scrapped-Off Layer,SOL)和直接接触SOL的面对等离子体材料(Plasma-Facing Materials,PFM)区域内。因此,PWI问题直接决定了聚变的装置运行安全性、壁材料部件研发进程和未来壁的使用寿命。弄清PWI的各种物理过程和机理并施以有效的控制,是未来核聚变能实现的重要环节之一。对PWI国内外研究现状进行了详细的总结评述,并阐述了PWI的未来发展趋势和亟待解决的问题。

磁约束阻尼的减振机理

采用在约束层端部上设置永磁体的新方法可使阻尼层获得比传统约束阻尼处理方法更高的剪应变 ,从而增强粘弹层的阻尼耗能。本文应用Hamilton原理 ,考虑永磁体的影响 ,推导了对称双层夹心悬臂梁的运动方程 ,对模型进行了实验验证 ;分析了一阶共振时 ,永磁体对共振振幅、阻尼层剪应变、约束层作用力的影响 ,阐明了新型的磁机敏约束阻尼方法的减振机理。

用于磁约束核聚变电子回旋共振加热系统的兆瓦级回旋管

磁约束核聚变能是目前人类认识到可以根本解决人类能源问题的重要途径之一。电子回旋共振加热(ECRH)和电流驱动(ECCD)是核聚变装置等离子体温度达到约1亿度稳定聚变条件的主要加热方式。而回旋管是ECRH系统高功率微波源的核心器件。本文针对磁约束核聚变能ECRH系统所需的高功率微波源介绍了国内外兆瓦级回旋管的技术发展、研究现状和发展趋势,并探讨了回旋管的未来研究方向。

磁约束核聚变装置等离子体与壁相互作用研究简述

可控聚变能具有安全、清洁、燃料丰富等优点,是解决人类未来能源问题的主要选择之一.在磁约束核聚变装置中,来自高温等离子体的强热流、强粒子流与直接面对等离子体的器壁之间产生的强烈相互作用,不仅会导致第一壁损伤,产生杂质,污染等离子体,引起等离子体能量辐射损失与等离子体约束性能降低,同时滞留在壁上的燃料粒子再循环直接影响等离子体密度控制.稳态控制等离子体与壁相互作用对于实现长脉冲高参数的等离子体至关重要,其主要研究内容包括面对等离子体壁材料的选择及其表面处理以控制燃料粒子再循环与杂质产生,控制来自等离子体的强粒子流和热流以减少壁材料损伤,以及发展高效冷却结构以快速移除沉积在壁上的高热负载等.经过数十年发展,特别在我国EAST超导托卡马克上,研究了石墨、钨、铍、钼等壁材料与结构,发展了壁表面清洗与涂覆改性技术,提出了多种控制等离子体热流的先进方法,初步开展了流动液态金属壁的研究,取得了重要进展,有效控制等离子体与壁相互作用,促进了长脉冲高参数等离子体的实现与性能提高.针对具有更高热负荷、更长脉冲以及高能量中子辐照等特点的长时间不间断运行的未来聚变堆,等离子体与壁相互作用稳态控制仍然面临严峻挑战.

磁约束磁控溅射源的磁场设计

磁控溅射镀膜机中的磁场分布对靶材利用率有着重要影响。为了提高磁控溅射源的靶材利用率,设计组抛弃了传统的"跑道环"形式的磁场设计理念,而是将永磁体或电磁体分置溅射靶的两侧,使其在溅射靶表面上方产生磁约束(磁镜)磁场。本设计使用有限元分析方法对磁场进行仿真计算,通过模拟磁场计算结果和实测结果的比较,验证有限元方法的可靠性。Ansys有限元分析软件对磁场分布进行仿真模拟,大大简化了计算并缩短了设计周期。通过实验验证,磁约束磁场大大提高了靶材的利用率。

水－磁约束等离子弧切割方法研究

提出了用水箍及磁场对等离子弧进行综合二次约束的原理，并通过不锈钢切割试验探讨了水－磁约束等离子弧的特性、切割质量和加工速度的一般规律。研究表明：这种二次约束方法兼具水约束和磁约束的优点，其约束效果及相应的切割效果都优于单一水约束或磁约束所能达到的效果；利用水－磁二次约束也有助于降低喷嘴热负荷，提高喷嘴寿命与加工稳定性。

轴对称缓变磁场中的等离子体与磁约束原理

本文以等离子体的单粒子理论为基础 ,对等离子体中的带电粒子在轴对称缓变磁场中的运动进行了较详细的讨论 ,进而从理论上说明了磁约束的机理 .

应用于磁约束放电的磁开关脉冲电路的实验研究

对于放电电压相对较低（低于１ｋＶ）的磁约束脉冲放电，为实现快脉冲放电而同时保证电路的稳定工作，在脉冲放电电路中应用了磁开关（磁脉冲压缩器）技术。介绍了所采用的磁开关的设计及其实验研究。

磁约束磁控溅射源的工作特性测试

为了提高靶材利用率，将磁约束原理应用在磁控溅射技术中，设计了一款直流矩形平面磁控溅射源．测量了磁约束磁控溅射源原理样机靶面磁场强度，研究了不同工作真空度下的伏安特性以及磁控溅射电源工作在不同模式下靶电压与工作真空度之间的关系，确定了磁控溅射源正常工作时的最佳工艺参数，为磁约束磁控溅射源原理样机的结构改进提供依据．实验表明：磁控溅射靶稳定工作的电压范围是300-700V，靶电流可达到1．2A，最高工作真空度为2Pa．

磁约束双层夹心悬臂梁的振动分析

采用在约束层端部上设置永磁体的新方法可使阻尼层获得比传统约束阻尼处理方法更高的剪应变 ,从而增强粘弹层的阻尼耗能 ,降低共振峰。本文应用Hamilton原理 ,推导了全覆盖双层约束阻尼悬臂梁的运动方程 ,对模型进行了实验验证 ;分析了不同物理和几何参数下该方法的减振效果。研究表明 ,磁约束能提高阻尼减振效果。随着阻尼层厚度的增加 ,无磁约束的共振峰降低较少 ,而有磁约束的共振峰急剧降低 ,减振效果明显。阻尼层剪切模量G的变化对磁约束减振效果的影响较大 ;当G小于一定值时 ,减振效果明显 ,但当G大于一定值时 ,减振效果急剧降低。在不同的约束层弹性模量和厚度下 ,磁约束仍起作用。此外 。

磁镜原理及其在磁约束中的应用

在普通物理教学中对磁镜原理及应用给予定性的阐述及介绍的基础上,对磁镜原理给出了定量的分析说明,并对其前沿应用进行了介绍.