与美竞争激烈 中国可控核聚变装置完工

仲国民

来源: 新浪/日期: 2015-04-09

　　可控核聚变是当代世界科技领域的最前沿，由于其对技术要求的极端苛刻，到目前为止仍处于前期预研阶段，而且学术界有“核聚变距离成功永远有25年”的说法。目前世界各国投入研究力量最大
的是磁约束核聚变，而这其中托卡马克装置则被认为是最有希望在未来取得突破的一种可控核聚变发电装置结构。而在托卡马克基础上研制的反场箍缩磁约束聚变实验装置（Torus Experiment）则是这一领域的最新成果，美国在1999年投入使用的“国家球形环实验”装置是世界首个此类装置。4月9日，据中国科大新闻网报道，中国的KTX（“科大一环”）装置已经进入最后整体安装调试阶段。
　　虽这一成果可能仍未改变“可控核聚变距离现在还有25年”的现状，但这意味着中国在这一领域与世界领先国家的差距又有缩小。在可控核聚变领域，中国和美国目前是世界上投入最大的两个国家，据公开报道，中国目前已知的大型核聚变实验装置已有16个，仅次于美国的28个，第三名俄罗斯为5个。
　　据了解，合肥工业大学2014年的一篇论文（作者王浩，导师宋云涛、王松可）指出：反向场实验揭示了许多不同于托卡马克物理的有趣现象，有的与空间和天体等离子体有密切联系，如可能的发电机机制问题。但从实现聚变的角度看，反向场的进展不理想。达到的等离子体参数很低，密度也不高，比压只有较小的提高（与托卡马克相比），而能量约束时间仅达毫秒量级。
　　以最大的RFX装置为例，虽然该装置尚未在最高参数下运行，今后仍有提高等离子体参数的余地，但在目前已达到的参数下，等离子体总体参数明显低于同等欧姆电流下的托卡马克装置。这主要是反向场位形下的能量损失过大，杂质不易控制，而这一般是短脉冲实验的内在缺点，这一缺点可能严重阻碍反场位形反应堆应用前景。目前没有建造更大装置的规划，反向场研究已不再作为有可能代替托卡马克的替代途径。
　　原文报道称，3月31日，随着两个巨大的半环形主体真空室组件在合肥科烨电物理设备制造有限公司组装车间的顺利合龙，中国首台大型反场箍缩磁约束聚变实验装置KTX各系统的部件研制建造工作全面完成，进入装置最后整体安装调试阶段。
　　反场箍缩磁约束聚变实验装置“Keda Torus eXperiment”（KTX，中文简称“科大一环”）是科技部“国家磁约束核聚变能发展研究专项”支持的大型装置建设项目。项目由科大物理学院基础等离子体物理重点实验室承担，中科院等离子体物理所及合肥科烨电物理设备制造有限公司通力合作建设。
　　为了工程的顺利实施，根据科技部要求，2011年学校成立了以刘万东为工程总指挥，丁卫星为首席科学家，谢锦林为总设计师，李弘为总工程师，张平为总工艺师，以及主机、电源、数据采集控制、诊断四个分系统负责人等数十名科技人员组成的工程建设队伍。
　　经过三年多的艰苦努力，基础等离子体物理重点实验室完成了KTX装置的物理设计，中科院等离子体物理研究所完成了全面的工程设计，科烨公司等建设单位承担了装置主体的研制、建造以及安装工作，工程建设取得了重大进展。
　　反场箍缩是有别于托卡马克、仿星器位形的另一类环形磁约束聚变装置，是先进磁约束聚变位形探索研究的重要平台。反场箍缩最重要的特点是约束等离子体的磁场是由等离子体内部电流所产生，具有纯欧姆加热达到聚变点火条件、高质量功率密度等优势，是未来磁约束反应堆位形的候选方案。
　　正在建设的KTX装置大半径1.4米，小半径0.4米，磁场可达7,000高斯，等离子体电流可达1兆安培，电子温度可达6百万度，放电时间可达100毫秒。磁体系统由24个纵场线圈、26个欧姆场线圈、12个平衡场线圈以及136个反馈控制线圈组成，最大线圈直径达7米。KTX装置主机总体直径8米，通高6米，总重量超过70吨。而美国“国家球形环状试验装置”，该装置1999年投入运行，其数据为大直径0.85米；小直径0.68米，磁场3,000高斯，热功率11兆瓦，等离子电流1.4兆安。
　　KTX装置采用真空室双C开合可进性设计，解决了当前反场箍缩装置可进性差、真空室维护更新难、费用高的缺陷，为装置的先进锂壁运行提供了必备的实验条件。KTX装置突破了以往平衡场窄环条件的制约，实现了既高效驱动等离子体电流又自适应维持等离子体平衡的优化设计，有效提升了欧姆加热效率，充分发挥了反场箍缩位形欧姆加热的重要优势。
　　KTX装置兼收电流剖面控制和边界主动反馈控制两种国际主流控制技术，结合独特的三维局域涡流诊断手段，具备了极好的三维等离子体运行能力，为深入开展环形装置三维等离子体物理前沿研究奠定了基础。装置的设计的各项指标均达国际同类装置先进水平。
　　KTX装置电源系统是总储能可达25兆焦耳，输出功率可达100兆瓦，输出电流可达50千安的多组脉冲强流电源，采用了先进的精确分组串并联方式消除磁体间的互感耦合。KTX装置主要诊断系统包括汤姆逊激光散射系统、太赫兹微波干涉偏转仪、多通道软X射线阵列、电磁测量系统以及静电探针等。KTX装置采用EPICS架构控制系统以及MDSplus数据管理系统，能完成两千余道高速数据采集及在线处理，并应用FPGA技术实现136道主动控制线圈的实时控制。
　　KTX系统主机研制方面，解决了极低误差场、灵活可控在线烘烤、薄导体壳精密成型、大型轮胎型真空室无缝一体化成型，以及可开合双C真空室结构、大尺寸线圈成型等关键技术难题，高质量完成了装置主机极向场线圈、纵场线圈、导体壳、反馈控制线圈、支撑系统等关键部件研制，为KTX装置建设总体目标的实现奠定了坚实的基础。
　　KTX是中国完全自行设计、自主研制集成的国际先进反场箍缩装置。它的建成，将为国内外从事等离子体物理研究的科研人员提供一个全新的大型实验平台，对中国磁约束聚变领域高端人才培养，发展磁约束聚变能科学技术研究事业具有重要意义。

husonghu

很了不起。有很多技术细节要解决。

仲国民

husonghu 发表于 2015-4-11 09:13
很了不起。有很多技术细节要解决。

中国的科技人员正埋苦干着呢。

husonghu

仲国民 发表于 2015-4-11 16:40
中国的科技人员正埋苦干着呢。

嗯,我对祖国的同行敬佩有加.那块土地,生息着这么多人口,发展到今天的程度,真的很不容易,值得每一个炎黄子孙热爱和自豪.