EAST全超导托卡马克高约束稳态运行实验研究进展

开发安全、清洁的核聚变能,最终解决人类能源危机是聚变科学与技术研究的终极目标. 21世纪初启动建设的国际热核聚变实验堆(ITER)项目,促使聚变能开发朝商业应用迈进了一大步.具有ITER类似结构的托卡马克(Tokamak)磁约束聚变装置开展的等离子体放电实验,成为了现阶段聚变能开发研究的焦点.中国科学院等离子体物理研究所自主设计、建造的全超导托卡马克EAST,面向未来聚变反应堆关键的工程与物理问题开展了大量的探索研究.其中,在关于聚变反应堆能否经济实用地投入商用发电的高约束稳态运行实验研究方面,取得了一系列重大突破.继2012年实现400 s低约束模长脉冲运行、验证系统长脉冲运行能力之后, 2017年EAST又刷新了高约束模等离子体放电运行时间的世界纪录,成为首个具备100 s量级高约束模准稳态运行能力的托卡马克装置,并且首次触及到了磁约束聚变等离子体中最长的时间尺度——粒子平衡时间.为面向反应堆燃烧等离子体第一壁高热负荷承载,高约束边界局域模抑制以及长时间稳态运行控制的工程与物理问题的开拓研究,提供了国际磁约束聚变界最好的实验平台.现已在EAST上开展了钨铜水冷偏滤器、锂化第一壁、射频波电流驱动、弹丸注入、精确磁面位形控制、边界局域模和高热负荷缓解等一系列相关实验,并取得了重要的研究进展.     

中国环流器二号A装置物理实验研究进展

本文介绍了中国环流器二号A(HL-2A)装置概况、系统工程以及在磁约束聚变物理研究方面取得的若干重要进展,尤其是在HL-2A装置上成功实现了具有边缘局域模的高约束模式运行,是我国磁约束聚变实验研究史上具有里程碑意义的重大进展.近年来利用该装置可近性好,原创的加料与控制技术以及先进的高时空分辨诊断系统等独特优势,在HL-2A装置上开展了国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)及未来聚变堆等离子体相关的前沿物理问题与关键技术的研究,获得了一批国际磁约束核聚变领域创新科技成果,为ITER的运行与实验以及未来聚变堆的设计提供了重要技术基础与支撑.     

磁惯性约束聚变:通向聚变能源的新途径

磁约束聚变和惯性约束聚变是两种传统的聚变方式,磁约束聚变的能量增益已经达到得失相当,惯性约束聚变近年来也取得了突破性进展.但传统聚变方式的等离子体参数处于两个极端,相差11个量级,且它们的设施庞大,成本高昂,研发周期很长.磁惯性约束聚变兼具两种传统聚变方案的特点,其等离子体参数介于它们之间,同时由于其成本低廉,设施小型化,研发周期相对较短等优势,因此具有潜在的商业价值,近年来成为国际上比较活跃的研究领域.本文将详细介绍磁惯性约束聚变的特点以及该领域的最新进展.     

CFETR物理与工程研究进展

磁约束聚变是利用磁场将氘和氚燃料以等离子体的形式约束并发生聚变反应,被认为有希望彻底解决人类的能源问题.中国聚变工程试验堆(CFETR)是中国磁约束聚变发展路线图规划的下一个托卡马克聚变装置,其运行将分为两个阶段:第一阶段实现200 MW聚变功率、氚自持的稳态运行;第二阶段实现1000 MW聚变功率并示范聚变电能输出. CFETR将着力解决ITER与DEMO之间存在的物理与工程技术难题,包括实现氘氚聚变稳态运行、公斤级氚的增殖与循环自持、能长时间承受高热负荷与强中子辐照的材料技术等,为我国2050年前后独立自主建设聚变电站奠定坚实的基础.     

利用外加偏压导体法控制球形托卡马克电磁扰动实验研究

MHD(Magneto hydrodynamic,磁流体力学)不稳定性是托卡马克磁约束聚变等离子体中的基本物理现象,是影响装置放电稳定性及等离子体约束性能的重要因素,通过磁探针诊断对球形托卡马克上的Mirnov扰动进行测量和分析,并利用外加偏压导体方法首次对扰动进行抑制。     

SUNIST上MHD扰动测量和模式分析

磁流体(Magneto Hydrodynamic,MHD)不稳定性是托卡马克磁约束聚变等离子体中的基本物理现象,是影响装置放电稳定性及等离子体约束性能的重要因素.通过磁探针诊断对Sino-United Spherical Tokamak(SUNIST)上的Mirnov扰动进行测量和分析,利用奇异值分解(SVD)方法首次对扰动的环向和极向模数进行分辨,并给出放电过程中的模数时间演化过程.     

磁约束核聚变国际发展态势分析

核聚变能被视为人类可持续发展最理想的未来能源,受控核聚变研究的最终目标是实现聚变能的商业化应用。主要发达国家纷纷制定了聚变能研究战略,探索和发展能直接用于商用聚变堆的各种新技术和新概念,以加快这一进程。经过半个多世纪的不懈努力,世界各国已在磁约束核聚变理论方法、关键技术和实验装置上取得了突破性进展。该文主要从国际相关战略规划、ITER计划现状、理论与实验工艺上的研究进展及关键前沿技术等几个方面对磁约束核聚变国际发展态势进行分析,从文献计量角度揭示出核聚变领域的主要国家、机构和科研人员特征,并提出了中国核聚变未来发展的对策建议。     

磁约束聚变能源的发展机遇与挑战

磁约束聚变能源具有安全、经济和环境友好的优点，是未来理想的战略能源，可为“双碳”目标的实现做出重大贡献。磁约束聚变是利用磁场将氘和氚燃料以等离子体的形式约束并发生聚变反应，被认为有希望彻底解决人类的能源问题，也是中国核能发展的长远目标。当前中国正在积极参加国际热核聚变实验堆（ITER）的建设，支持国内ITER专项的物理和工程技术研究，在吸收和消化ITER经验的基础上，自主设计以获取聚变能源为目标的中国聚变工程试验堆（CFETR）。聚变能源开发难度很大，机遇和挑战并存，需要长期持续攻关。     

JET装置中的离散阿尔芬本征模探讨

当前的磁约束聚变装置常常运行在先进托卡马克区域内,先进托卡马克区域内存在负磁剪切,s<0(s=rdq/dr)。在JET(Joint European Torus)装置中探讨了一种新型的离散阿尔芬本征模式——αTAE(α-induced to-roidal Alfvén eigenmode),研究其模式随s或α变化的特性,α=-q2Rdβ/dr。这里,q是安全因子,β是等离子体压力与磁压力之比,R和r分别代表托卡马克的大半径和小半径。     

聚变能源中氚安全研究进展及展望

氚安全是聚变堆安全的核心内容,对聚变堆从研究走向实现聚变能源有着至关重要的影响,是建设聚变堆前必须回答的问题.本文针对聚变堆中大规模氚应用场景,从氚分布、包容、处理、人类及环境安全等方面综述了当前的研究进展,结合我国磁约束聚变能源发展路线图,提出针对聚变能发展的氚安全发展路线设想,并给出氚安全需重点突破的关键科学问题、技术问题及工程问题建议.     

X射线在Au等离子体中的散射截面测量

阐述了X射线在等离子体中的散射截面研究的潜在价值及对惯性约束聚变 (ICF)研究的重要意义 ,介绍了神光Ⅱ装置上的实验方案及诊断设备靶场排布。给出了该项研究的实验结果 ,并对实验结果作了初步的分析 ;给出了实验误差的主要来源 ,从获得的结果表明有望发展一种新的等离子体状态参数诊断技术。     

封面说明

<正>本期出版了"中国磁约束聚变科学技术研究进展"专题.有着"人造太阳"之称的磁约束热核聚变是解决人类未来能源危机的最终途径.中国依托东方超环(EAST)和环流器二号(HL-2A)两个托卡马克装置的实验研究成果和参与国际热核聚变实验堆(ITER)的设计建造经验,全面启动了中国聚变工程实验堆(CFETR)的物理     

佳拉洁雅装置中溜槽线圈位置参数对等离子体注入的影响

佳拉洁雅型磁约束装置是非托卡马克磁约束装置的一种。溜槽线圈是等离子体通道的重要组成部分,溜槽线圈的作用是削弱磁阱障壁磁场的磁感应强度,实现等离子体顺利注入磁阱。溜槽线圈的参数会对注入效果产生不同的影响。为了获得更佳的注入参数,将更多地等离子体输运到磁阱,研究了等离子体入射线角度和溜槽线圈与磁阱相对位置对等离子体入射线上磁场强度的影响;并利用有限元仿真软件COMSOL建立了仿真模型,仿真分析了不同参数下的等离子体注入情况。仿真结果表明,当等离子体入射线角度为20°,溜槽线圈距磁阱距离为23 cm时,等离子体注入磁阱的效果最好。     

“东方超环”创两项世界纪录

正本刊讯近日,被称为"人造太阳"实验装置的东方超环(EAST)超导托卡马克2012年物理实验顺利结束,创造了两项托卡马克运行的世界纪录:获得超过400秒的2000万度高参数偏滤器等离子体;获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电,标志着我国在稳态高约束等离子体研究方面走在世界前列。高参数、高约束模式偏滤器等离子体是未来聚变托卡马克放电的最基本运行方式。     

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.     

我国磁约束聚变研究进展和展望

我国磁约束聚变近年来在工程技术发展和物理研究方面都取得了一些重要进展,一些研究已与未来聚变反应堆所涉及的重大前沿课题密切相关。随着HL-2A装置的不断完善和国际上第一个非圆截面全超导托卡马克EAST的投入运行,以及中国加入国际热核实验反应堆计划,为中国聚变事业带来了前所未有的发展机遇。     

中国"太阳"冉冉升起

在我国,核工业西南物理研究院和中科院等离子体研究所是进行磁约束核聚变研究的两大重镇.前者进行的是常规托卡马克研究,后者主要是超导托卡马克研究. 20世纪80年代,西南物理研究院建成了托卡马克装置--中国环流器1号.2002年12月,又建成了中国环流器2A,它属于国家大科学工程.     

基于神光Ⅲ装置的光学诊断系统介绍

光学诊断系统在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)研究中具有重要的作用,可以较为直观地诊断聚变过程中的一些关键物理量和参数.本文介绍了神光Ⅲ原型和主机装置上配备的比较典型的三种光学诊断系统,包括成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)、惯性约束聚变反应速率测量系统以及背向散射光测量系统.VISAR可用于测量自由面速度和透明介质中的冲击波速度,是冲击波调速、材料压缩特性以及辐射测温研究的重要诊断技术;惯性约束聚变反应速率测量系统用于测量聚变反应的时间演化过程,是研究内爆动力学、理解混合效应的关键诊断技术;背向散射测量系统用于测量激光等离子体相互作用引起的背向散射光份额,为惯性约束物理实验激光能量与靶耦合效率参数提供了重要的数据支撑.     

中国环流器二号A(HL-2A)实验进展

中国环流器二号A(HL-2A)装置经过最近2年的改进和提高,电子回旋加热功率达到2MW,增加了液氮温度分子束加料系统,三台阶带状流探针阵列、微波反射仪和汤姆逊散射等诊断系统等。利用其所具备的条件,在该装置上开展先进托卡马克实验,进行了磁约束聚变科学关键课题的研究;在若干领域,取得了重要物理实验成果,包括首次在托卡马克装置上观测到测地声模带状流的环向对称性和三维结构,创造了电子温度达到5000万度的国内纪录等;在其他领域,比如偏滤器物理、等离子体旋转、高能电子的作用、粒子和能量约束及磁流体不稳定性等方面,积累了丰富的实验数据。该装置的升级与改造工作正在研发之中。     

快Z-箍缩——有前景的聚变能源新途径

简要介绍了快Z?箍缩的基本概念;综述了快Z?箍缩等离子体研究及其作为高能密度物理与惯性约束聚变（ICF）,尤其作为低成本聚变能源研究的最新进展;探讨了快Z?箍缩驱动ICF作为聚变能源可能遇到的技术问题及应用前景。