常见聚变装置分类 Part 2

常见聚变装置分类 Part 2

聚变装置需要数亿度的高温条件。在极高温的条件下,所有物质都变成完全电离的气体——等离子体。利用强磁场可以很好的约束带电粒子的特性,构造一个特殊的磁容器,在其中,将聚变燃料加热至数亿度高温,实现聚变反应,建成聚变反应堆。这就是磁约束核聚变的最终目标。经过国际聚变界80年的努力,这一目标已经取得了很大的进展。因此在上文(商用聚变能的技术壁垒兼谈常见聚变装置分类Part1)大致介绍了惯性约束核聚变装置和箍缩聚变装置之后,本文将主要介绍磁约束核聚变装置的几种主要类型,包括托卡马克,球型托卡马克,除此之外还将介绍一些目前不是那么常见的聚变装置。

磁约束聚变类(Magnetic Confinement Fusion

A. 托卡马克(Tokamak):

托卡马克是目前最基本也是最常见的磁约束核聚变装置,全球到目前为止,已经建造、计划建造、以及包括退役的托卡马克一共超过200座。在托卡马克装置中,等离子体被外加磁场和自身磁场所形成的合成磁场所作用。其中外部磁场由极向场线圈、中心螺线管、纵场线圈以及真空室内部的快控线圈合成。等离子体被合成磁场约束在类似于甜甜圈或者轮胎形状的真空室腔体内,极高温条件下发生聚变反应。这就是托卡马克聚变装置的基本原理。

托卡马克(Tokamak)装置是俄罗斯最初做出的设计,经过几十年的发展,目前主要运行思路大概情况是:

  • 位于真空室径向芯部的欧姆线圈(中心螺线管)和极向场线圈在励磁完成后反向运行击穿氘氚气体产生等离子体;
  • 真空室外围的极向场线圈控制等离子体的慢速变化;
  • 而真空室内的快控线圈则对等离子体在拉长过程(理论和实验研究表明对径向已经稳定的等离子体实施拉长动作可以提高等离子体反应参数)中产生的快速垂直不稳定性做出快速响应。
  • 在等离子体可控状态下,通过各种辅助加热手段,比如电子回旋、微波加热和目前最先进的中性束注入,对等离子体进行加热,使之达到数千万度超高温,基于此发生聚变反应。

    图一 托卡马克原理结构图



托卡马克目前取得了很多令人瞩目的进展,因此也是目前全球聚变研究的主流之一。但是,也存在很多问题,比如,等离子体环路中高温粒子的散射问题。我们知道聚变反应产生的基础是极高温加速了粒子的热运动,从而加大了粒子碰撞的几率,然而除去少部分的碰撞会发生聚变反应,还有很大一部分的碰撞并不会发生聚变。这也是燃料反应截面所决定的,不发生聚变融合的粒子则会弹开,宏观上看就是散射。过度的高温散射粒子可能会碰到真空室壁导致壁面受损。因此目前有很大一部分的研究就是在通过控制等离子体不同的位型来降低散射粒子的量。再比如,从电气的角度来看,托卡马克实际上是一个非典型的变压器。目前托卡马克的等离子体主要是靠极向场线圈感应所产生,这个感应过程需要消耗磁通,而PF线圈可提供的磁通消耗量(EAST装置约为10伏秒)是有限的,目前托卡马克的磁通大部分消耗在感应产生等离子体和等离子体爬升到平顶端这段时间,当磁通消耗完之后,等离子体则进入下降段,放电结束。因此这一局限导致了等离子体在平顶端运行时间不够,从而导致高约束模态脉冲时间不够。目前针对这一点也有大量相关研究,比如Boots电流的研究就是利用等离子体自举电流以减少等离子体运行过程中的PF线圈磁通消耗以提高平顶端运行时间。

图二 典型托卡马克等离子运行图

从图二第一行曲线可以看到,目前等离子体运行过程中,处于爬升和下降段的时间很长,而平顶端时间相对较短。

目前世界上比较有名的托卡马克装置不少,其中最有名的应该就是为大家所熟知的正在建造的ITER,ITER的工期在一拖再拖,参与国各方妥协后达成协议:2026年左右第一次放电。我国有EAST装置,欧洲有JET装置等等。

图三 ITER设计结构图

图四 EAST

图五 JET真空室

表一 国外主要大中型托卡马克参数

表二 国内主要托卡马克参数

B. 球型托卡马克(Spherical Tokamak):

球形托卡马克是一种低环径比托卡马克。首先是由是上个世纪90年代由卡勒姆聚变能源中心开发设计的,美国的橡树岭等著名实验室也有大量研究。目前全球有20多个球马克,其中最有名的则是位于英格兰卡勒姆国家聚变实验室的MAST装置。

球马克装置能更高效地利用磁场,中心磁场最强,“固有地”紧凑(在体积上一般来说仅仅只有ITER或者JET的1-10%大小)。从历史的观点说,这种优势也有局限性:机器的中心没有空间,磁性和相关的防护屏蔽和温度控制没有多大的余地。但现在,“高温”超导技术快速进展,可能在温度大大高于绝对零度和强磁场内实现零电阻大电流,减少了冷却和与高能中子相关的防护问题。

也正是因为中心螺线管的空间过于狭窄,它的效率不能很高,或者说,它能产生的磁通变化量很有限,驱动电流能力差。这是这类装置的一项重要缺点。因而电流启动是球形环的一项研究重点。

从堆工的角度看,传统托卡马克堆的缺点,即防护中子辐射问题,在球形环中放大了,因为空间狭窄,磁体中心柱组件更难防护中子辐照。因此,若能根本取消中心螺线管,将使球形环建堆的前景更为光明。


图六 MAST放电辉光

图七 典型的球马克装置总体

表三 主要球形环参数

C. 仿星器(Stellorator):

仿星器,顾名思义是仿照恒星内部持续不断的聚变反应所设计的聚变装置,也是磁约束核聚变家族的一个主要成员。最初由美国物理学家Lyman J Spitzer在1950年提出,并且第二年在后来的普林斯顿等离子体国家实验室建成。在仿星器中,没有,或不一定有整体的环向电流,而是靠外界线圈产生极向磁场,使带电粒子沿合成的螺旋磁力线运动,消除漂移引起的电荷分离。

仿星器的工艺复杂,加工和安装的精确度要求高,但是由于极向场由外线圈决定,物理上比托卡马克简单。由环形等离子体电流引发的问题,如破裂,它不存在,虽然也有宏观不稳定性问题。其主要优点还是稳态运行。

仿星器在二十世纪五六十年代的可控核聚变研究当中十分普遍,但是由于七十年代托卡马克有重大进展,仿星器研究曾一度搁置。近年来由于托卡马克研究中的一些问题,仿星器的研究逐渐再受重视。去年德国的W7X的建成让聚变界眼前一亮。同时美国的HSX和日本的LHD都是很著名的仿星器装置。

图九 仿星器典型线圈结构图

图十 德国W7X真空室

D. 磁镜(Magnetic mirrors):

磁镜是一种开端装置,也有很长的发展历史。但和托卡马克不同,它的基本位形经历
了简单磁镜、标准磁镜和串列磁镜几个阶段的变化。早在1970年代,我国核工业西南物理研究院就研制了一超导磁镜303。后来,中国科学院等离子体研究所和物理研究所合作,研制了一台电子环磁镜HER。磁镜途径经长期发展, 基本模式历经演变,主要因投资关系未得到充分重视,但仍不断取得进展。由于带电粒子从终端损失可用于能量的直接转换,也可考虑使用氦3燃料。

惯性静电约束装置(Inertial Electrostatic Confinement)

这一类装置均涉及静电约束,也有很长的发展历史,可分为纯静电约束、虚阴极磁阱
和Penning阱。惯性静电约束概念起源很早, 但只在近年来才得到较快发展, 进行了一些小规模实验,近期可望用于医学。因为没有磁场或只有弱的磁场,远期可望用于氦3和其它先进燃料聚变。

图十一 纯静电约束

图十一 约束原理

聚变装置的总体介绍基本就谈到这里了,还有一些其他的装置,比如洛克希德马丁公司最新的设计,但是由于自己认知有限或者目前资料不全,没办法进行一一介绍。核聚变研究实际上是一个很大的研究领域,而且目前来看分支很多,主流的托卡马克发展势头良好,但是其他装置类型也不乏闪光,比如德国的文德尔施泰因7-X,美国的点火装置最近也得到了不错的实验结果。总体来讲,核聚变领域目前还处于一个“春秋争霸”的时代,有盟主,但是其他装置的发展也不容小觑。

编辑于 2016-09-02

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