我國核聚變新成果!中科院在“永磁體仿星器”設計研究取得進展,有望造出第二個“人造太陽”

語言: CN / TW / HK

IT之家 1 月 27 日消息,據中科院之聲消息,近日,中科院合肥研究院 集成永磁體和簡單線圈的先進仿星器 設計研究獲進展。

IT之家瞭解到,反應堆最常見的設計稱為託卡馬克裝置 (Tokamak),這是一個類似圓形線圈的中空金屬結構。燃料在加熱到 1.5 億攝氏度以上時,能形成高温等離子體。我國的“人造太陽”全超導託卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)實現 1056 秒的長脈衝高參數等離子體運行。

▼“人造太陽”全超導託卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)

儘管託卡馬克裝置能理想地約束這種等離子體,但也暴露出一些安全風險,比如當電流故障時,磁場就會立即崩潰。

仿星器是聚變三乘積參數僅次於託卡馬克的磁約束核聚變途徑,與託卡馬克相比,具有穩態運行的優勢,避免了託卡馬克的主要缺點: 等離子體大破裂 。然而,長期以來,仿星器並沒有作為聚變堆技術路線的首選,主要原因有兩個:

  • 一是傳統仿星器磁場的波紋度比託卡馬克大,導致其新經典輸運水平和高能粒子損失水平高於託卡馬克。

  • 二是仿星器需要三維結構的線圈,結構複雜、製造難度大、成本高。

針對這兩個難點,科研人員已在前期工作中開展研究並取得進展。長期以來,仿星器研究領域試圖通過優化磁場位形來降低仿星器的新經典輸運水平和高能粒子損失水平。研究發現,可通過仿星器磁場位形優化實現精確準對稱,證明了仿星器可以實現和託卡馬克相當的新經典輸運水平和高能粒子損失水平(Physical Review Letters)。

結合永磁體的仿星器是國際仿星器研究領域的熱點,而如何用工程簡單的永磁體塊產生所需的三維磁場是研究難點。近期, 徐國盛課題組 首次提出一種標準化永磁體設計策略。該策略採用了“分治策略”的思路,將永磁體塊的設計過程分解為逐個設計每一塊永磁體,然後進行多次迭代以獲得最優設計,迭代過程包括局部優化和全局優化兩個部分。

▼ 集成永磁體和簡單線圈的先進仿星器設計

該思路易於高度限定每一塊永磁體的具體形式,直接以工程實現為出發點進行永磁體設計。基於該設計策略,徐國盛課題組實現了仿星器永磁體的標準化,即所有永磁體塊大小、形狀,剩磁強度完全相同且磁化方向為有限個指定方向之一。該設計使得永磁體塊可批量生產,降低了加工製造成本。此外,統一的大小、形狀使得永磁體塊可以拼裝起來,有利於裝配精度控制。 該研究有助於永磁體仿星器從概念設計階段邁向工程實現 ,推動仿星器的發展。

相比於當前仿星器採用的極為複雜的三維扭曲線圈,可批量製造的標準化磁體塊以及簡單線圈的低生產成本和低工程難度對仿星器的設計、建造、維護具有重要意義,將永磁體和準對稱位形結合起來的先進仿星器 有望成為具有競爭力的低成本穩態磁約束聚變實驗裝置

「其他文章」