基本介紹
- 中文名：穩態聚變核反應堆
- 外文名：Steady state fusion reactor
- 套用學科：能源工程
- 範疇：工程技術
概述,發展歷程,
概述
核聚變（nuclear fusion），又稱核融合、融合反應、聚變反應或熱核反應。核是指由質量小的原子，主要是指氘，在一定條件下（如超高溫和高壓），只有在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核（如氦），中子雖然質量比較大，但是由於中子不帶電，因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來，大量電子和中子的釋放所表現出來的就是巨大的能量釋放。
發展歷程
能源是社會發展的基石。托卡馬克是未來實現受控核聚變能的主要研究途徑之一，經過各國科學家們近六十年的努力，在托卡馬克裝置上產生聚變能的科學可行性已被證實，其研究正朝著穩態高約束先進電漿運行的方向進行。能否在高參數高約束模式下實現反應堆要求的穩態先進運行模式，是直接關係到托卡馬克未來能否建成聚變示範反應堆並實現商用化的重要科學問題，這也是未來國際熱核聚變實驗堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）能否成功運行的關鍵。我國自行設計研製的EAST（Experimental AdvancedSuperconducting Tokamak）裝置是主動水冷非圓截面全超導托卡馬克裝置，於2006年實現電漿運行，是世界上少數和ITER類似的裝置，其研究經驗和實驗結果可以直接為ITER裝置所參考。
中國科學院合肥物質科學研究院電漿物理研究所承擔的“聚變堆穩態高約束先進運行模式的探索和機理研究”項目，依據2015年度國家磁約束核聚變能發展研究專項的申報指南提出申請，主要目標是以EAST全超導托卡馬克裝置為依託，以ITER關注的關鍵科學問題和科學目標為牽引，以具體的實驗研究與數值模擬相結合為手段，與各類裝置實驗結果相比較及相互驗證，針對ITER和未來聚變反應堆高性能穩態運行問題，開展廣泛的國內國際合作與交流，建立國際聯合實驗研究小組。
在EAST托卡馬克實驗裝置上，重點開展與堆芯相關的高性能電漿穩態運行的集成實驗研究。探索和發展適用於未來示範堆條件的先進運行單元新技術和新方法。通過托卡馬克完全非感應電流驅動的數值模擬、穩態先進運行方案的理論設計和預研，探索實現高比壓、高自舉電流穩態電漿的有效方法，研究其相關的物理機制及其套用於未來聚變反應堆的可行性。利用低雜波實現及維持超長脈衝電流驅動，實現電流分布控制及約束改善的穩態運行模式。利用低雜波、射頻波（ICRH，ECRH）、中性束的聯合集成，開展電漿主要參數分布控制及改善約束的穩態運行模式的實驗探索，研究穩態高約束電漿安全運行保障的關鍵技術，為將來ITER和反應堆的穩態運行提供研究積累和實驗依據，並培養一支能參加未來ITER科學實驗和運行的國內高水平的科學研究隊伍。
經過項目團隊的不懈努力，在EAST實驗上通過集成運行演示了多種穩態高約束模式運行方案，實現了歸一化極向比壓達到2.0，自舉電流份額超過35%的高性能電漿；在鎢偏濾器下，利用射頻波加熱與電流驅動獲得了101秒完全非感應的穩態高約束運行模式；基於偏振干涉儀的電流剖面分布測量發展了EAST裝置的動理學平衡重建。通過中美合作，在DIII-D裝置上成功模擬EAST條件獲得具體內部輸運壘（ITB）的高比壓（βN～3.3）高自舉電流(fbs～80%)的完全電漿（H98～1.5；結合數值模擬與EAST實驗，揭示了Shafranov位移在此運行模式中的較強致穩作用，並從實驗上觀察到ITB的形成存在閾值。通過研究低雜波與電漿相互耦合的機理，闡明了由於低雜波徑向電場引起的極向不對稱性，提出了高電子密度下提高電流驅動效率的途徑；並結合理論模擬證實了低雜波有效控制電流密度分布的方法。自主發展了兩套大視場紅外內窺鏡成像診斷系統，提高了測量的時空解析度和觀察視場，保證了裝置的安全運行。
