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。

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。

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。

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.

激光约束与磁约束核聚变方案对比

本文介绍了受控核聚变的两种约束方式的原理,通过分析其局限性,在跟踪相关领域的研究进展的基础上,对比各自的优点和存在的问题。指出激光约束应从提高靶丸"流水线"生产提高填加核燃料的速度;对于磁约束,应从进一步增强磁场强度或将氘氚气体固态化来提高等离子密度。

磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学探究

新科技革命的到来,现代工业化生活所耗费的能量大部分来源于不可再生能源,这些能源非常有限,一旦耗尽,世界将会面临一场关于能源短缺的浩劫。近年来我国的磁约束核聚变用于工程技术研究和物力体力学研究方面取得了相当可观的成绩,该技术在很大程度上可以解决能源危机问题。本文详细阐述了磁约束核聚变的相关概念,分析了磁约束聚变与关键能量转换部件装置类别,重点介绍了核聚变反应堆以及磁流体力学实践运用。

磁约束聚变的进展与球形环

自１９９１年１１月以来，从ＪＥＴ、ＴＦＴＲ和ＪＴ－６０Ｕ装置的氘－氚聚变系统运行中所获得的有价值的成果表明，现已有能力研究和设计ＩＴＥＲ和先进的托卡马克型聚变堆．ＩＴＥＲ分两个阶段的设计活动（ＣＤＡ、ＥＤＡ）可于１９９８年７月完成，其中包括安全分析及实验评估在内的聚变动力堆的设计全过程．但昂贵的建造费用已成为ＩＴＥＲ进一步开发的主要矛盾，一种改进型托卡马克——球形环有可能会解决这个问题，主要借助于最小尺寸和简化结构来降低费用．文中描述了动力、实验球形环和混合堆的特征与初步参数．

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。

偶极场磁约束聚变装置性能特征及研究现状

偶极场磁约束聚变等离子体研究源自宇宙星球磁层等离子体物理研究,是一种与托卡马克、仿星器等理论基础及磁约束原理有重大区别的新途径。偶极场聚变最大优点是:结构简单、等离子体不破裂、极高比压(大于100%)等,这些特性表明偶极场聚变可望用于建造稳态运行、无氚自持和14 MeV中子等先进聚变堆。本章介绍了目前美国MIT和日本东京大学分别建造的LDX和RT-1两个偶极场聚变物理装置取得的新实验进展,分析了其理论和实验经验。针对我国基础科研发展战略需求,提出开展偶极场聚变等离子体基础物理及实验装置建造的国家支持建议。最后简要介绍了江西省科技厅重点研发项目支持的CAT-1偶极场聚变大科学装置培育项目情况。

聚变能源研究态势及展望

聚变能源开发有望重塑未来能源发展格局,正处于突破工程能量“得失相当”的关键阶段,机遇与挑战并存。本文总结了聚变能源研究的主要进展,凝练了能量平衡尚未实现、氚自持尚未得到验证、实现高可利用率难度极高、耐辐照材料开发进展缓慢、使用经济性普遍较差等发展挑战。在梳理国际热核聚变实验堆(ITER)计划的共性基础技术突破、成员国配套研究的基础上,归纳了我国磁约束聚变研究的整体规划、自主项目部署、技术路线跟踪等方面的进展。进一步,围绕我国自主提出的Z箍缩聚变裂变混合堆(Z-FFR)概念,阐述了基本原理、应用优势、系列进展,提出了面向2040年实现商业化供能目标的发展规划,涵盖关键技术攻关、工程演示、商业发电推广等阶段的任务目标。为了全面推进我国聚变能源开发进程,建议在磁约束聚变方面深入参与ITER计划和相关国际合作,攻克商用聚变堆关键物理与工程技术,开展中国聚变工程实验堆(CFETR)主机关键部件研发并适时建设和运营CFETR;在Z-FFR方面,加快“电磁驱动大科学装置”建设,开展聚变能源关键技术攻关,推进Z-FFR工程演示和商业应用。

磁约束聚变装置TCR型SVC系统优化与实现

研究磁约束聚变装置TCR型SVC系统对区域供电网络稳定运行、未来聚变电站建设具有重要意义。针对传统补偿及滤波方法运用在聚变领域存在响应时间长、滤波补偿精度低的问题,本文对滤波支路、相控电抗器和晶闸管阀相关参数进行了优化和设计,并重点针对负荷特殊性提出了无功预测-电压反馈复合控制方法。相关实验表明EAST无功补偿及滤波系统Ⅱ期工程响应、补偿及滤波性能达到良好的效果。

超导磁体技术与磁约束核聚变

[目的]磁约束核聚变是解决能源问题的有效途径之一。为了实现准稳态运行,超导磁体(特别是高场高温超导磁体)已成为未来托卡马克设计的首选方案。[方法]介绍了EAST的最新实验进展及未来研究计划,并从超导磁体技术方面总结了未来聚变装置CFETR的最新进展。[结果]2021年底,世界首个全超导托卡马克EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)成功实现1 056 s长脉冲高参数等离子体运行,创造最长运行时间的世界记录。[结论]中国聚变工程试验堆(CFETR, China Fusion Engineering Test Reactor)的设计已经完成,它将填补国际热核聚变实验堆(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor)和示范堆(DEMO)间的空白。

中国磁约束核聚变研究在“大跃进”中的起步

我国的磁约束核聚变研究是在"大跃进"运动的推动下起步的,各方面的工作都带有明显的"跃进"色彩。受种种技术条件的限制,快速上马的核聚变研究未能取得"超英赶美"的预期目标。不过,这期间在研究机构建设、人才培养、实验设备研制等方面还是取得了一定的成绩,为之后我国核聚变事业的发展奠定了重要的基础。

西湖国际磁约束聚变会议

西湖国际磁约束聚变会议（The7thInternational WestLake Symposiumon Magnetic Fusion Research）于2013年5月6-10日在杭州召开。此次会议由浙江大学聚变理论与模拟中心主办。会议代表共89名，其中境外代表7名。来自中国、美国、意大利、日本、韩国的高校和科研机构代表参加了本次学术会议，其中包括美国德克萨斯大学，日本大阪大学，意大利核能源国家实验室，韩国首尔大学，日本原子力开发机构，中国北京大学、清华大学、核工业西南物理研究院、中科院等离子体所、大连理工大学、华中科技大学、中国科技大学、南华大学等16家单位。