張國(guó)書,陳 騮2,孫占學(xué),湯 彬,趙開君,肖池階3,盧新培4,李福生,劉義保,劉云海,李 然,杜俊杰,江嘉銘,王清亞

(1.東華理工大學(xué),江西 南昌 330013;2.浙江大學(xué),浙江 杭州 310058;3.北京大學(xué),北京 100091;4.華中科技大學(xué),湖北 武漢 430074)

發(fā)展受控聚變研究是解決人類面臨的能源問題的根本途徑。上世紀(jì)90年代中國(guó)政府就制定了“壓水堆—快堆—聚變堆”三步走的核能發(fā)展戰(zhàn)略；2006年中國(guó)政府正式簽署了加入國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)建造的文件,同年我國(guó)政府頒布實(shí)施了《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》,明確表示支持發(fā)展托卡馬克為主的磁約束聚變途徑；2013年,經(jīng)國(guó)務(wù)院同意,在科技部牽頭協(xié)調(diào)下,中國(guó)啟動(dòng)了中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(CFETR)的設(shè)計(jì)預(yù)研,表明中國(guó)將獨(dú)自設(shè)計(jì)建造世界第一座具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氚自持功率運(yùn)行聚變工程實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆,這是為中國(guó)2050年實(shí)現(xiàn)聚變能源的商業(yè)化開發(fā)所采取的實(shí)質(zhì)性步驟,具有重大科學(xué)和戰(zhàn)略意義。

托卡馬克磁約束聚變無疑是目前世界各國(guó)投入最大,取得的物理實(shí)驗(yàn)水平最高,工程技術(shù)及材料開發(fā)最成熟的技術(shù)途徑。盡管如此,類似ITER和CFETR等基于氘氚燃料托卡馬克聚變堆的商業(yè)化仍然面臨許多重大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)問題,比如等離子體穩(wěn)定與控制、氚自持、材料中子輻照、第一壁高熱負(fù)荷、極端多物理環(huán)境等問題,如材料問題在未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是無法解決的。另一研究相對(duì)成熟的磁約束聚變裝置—仿星器,雖然可以解決托卡馬克存在的部份問題,如穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,但是其工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí)也存在托卡馬克存在的其它的一些問題,如材料問題。然而,解決這些問題對(duì)于漂浮磁偶極場(chǎng)裝置來說就變得相對(duì)容易。磁偶極場(chǎng)裝置是一種又具有工程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì),因此它極有可能成為未來理想的商用聚變反應(yīng)堆。

1 偶極場(chǎng)聚變裝置概述

懸浮偶極子磁場(chǎng)約束聚變裝置的概念是通過采用偶極磁場(chǎng)來約束穩(wěn)定等離子體的方法,研究實(shí)現(xiàn)受控核聚變的新途徑。它是由浙江大學(xué)聚變中心陳騮教授和其導(dǎo)師日本Akira Hasegawa教授依據(jù)宇宙空間等離子體的約束特性首先提出來的[1-3]。宇宙空間中約束等離子體的最簡(jiǎn)單和最常見的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)就是磁偶極場(chǎng),它類似于單個(gè)載流線圈產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng),它代表了磁化行星和中子星的中間磁層的主要結(jié)構(gòu)。圖1表示環(huán)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu),圖2所示為木星大氣層的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和約束等離子體(紅褐色部分)形狀。宇宙天體中的磁化行星和中子星等外測(cè)常見到的偶極磁場(chǎng)結(jié)構(gòu),對(duì)宇宙中的高速飛行的帶電離子具有穩(wěn)定的約束能力,形成天然的等離子體帶環(huán)。

圖1 環(huán)電流產(chǎn)生的磁偶極場(chǎng)Fig.1 Magnetic dipole field generated by ring current

圖2 木星的大氣磁層Fig.2 The atmospheric magnetosphere of Jupiter

然而,眾所周知,在托卡馬克或其他裝置等離子體中,激發(fā)的全域擾動(dòng)將導(dǎo)致等離子體和能量的快速損失。相反,在宇宙中,由于突發(fā)性的地磁腔的壓縮(由于太陽(yáng)風(fēng)壓力的增強(qiáng))或通過磁亞暴期間發(fā)生的不穩(wěn)定性對(duì)流而誘發(fā)的大尺度的擾動(dòng)將導(dǎo)致激發(fā)和填充的高能電子被俘獲在地球磁層內(nèi)。即使當(dāng)中心等離子體密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過邊緣處的密度時(shí),這種擾動(dòng)也會(huì)引起從磁層邊界向內(nèi)的粒子擴(kuò)散。假設(shè)具有類似于自然界中所觀察到的壓力分布的熱等離子體能被實(shí)驗(yàn)室磁偶極場(chǎng)所約束,那么這種等離子體同樣可以避免其能量和粒子向外的反常輸運(yùn)。在行星磁層中,伴隨著強(qiáng)的磁和電擾動(dòng),等離子體向內(nèi)的擴(kuò)散和絕熱加熱代表了強(qiáng)磁化等離子體的基本特征。而這種向內(nèi)的擴(kuò)散和絕熱加熱過程在實(shí)驗(yàn)室等離子體中,也得到了很好的證明,如圖3所示。在t1時(shí)刻邊緣等離子體中產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)逐漸向內(nèi)運(yùn)動(dòng),即通過t2,t3時(shí)刻后,最后在t4時(shí)刻,等離子體的芯部出現(xiàn)密度峰化區(qū)。

圖3 等離子體向內(nèi)擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)證明(LDX)Fig.3 Laboratory experiments show that (LDX)is diffused inward by plasma

一般等離子體滿足三個(gè)絕熱不變量,即磁矩不變量μ、縱向不變量J和磁通量不變量Φ。典型的磁鏡裝置就是利用磁矩不變量來約束等離子體的。然而對(duì)磁偶極場(chǎng)裝置,除了上述三個(gè)不變量仍然成立之外,還利用了磁偶極場(chǎng)所特有的內(nèi)能不變的特點(diǎn),即基于等離子體所形成的壓力分布對(duì)磁和電的低頻擾動(dòng)是臨界穩(wěn)定的思想。對(duì)于理想的磁流體(MHD),當(dāng)壓力分布p滿足絕熱條件時(shí),δ(pVγ)= 0,其中V是通量管體積(V≡∮dl/B)和比熱γ和比熱γ=5/3,此時(shí)等離子體內(nèi)能的變化由下式可見ΔEp時(shí)等離子體內(nèi)。在此條件下磁通管的絕熱膨脹導(dǎo)致等離子體的壓縮。

(1)

這種情況產(chǎn)生的壓力分布與半徑的定標(biāo)關(guān)系為 ,類似于在地球磁層觀測(cè)到的高能粒子的壓力分布。由于磁場(chǎng)的方向沿極向,所以粒子沒有遠(yuǎn)離磁通面的漂移運(yùn)動(dòng),因此也沒有像在托卡馬克中看見的“新經(jīng)典”的約束退化。另外,密度和溫度對(duì)半徑的依賴關(guān)系分別為ne～r-20/3和T～r-8/3。

圖4給出了實(shí)驗(yàn)室尺寸懸浮偶極子的磁場(chǎng)和磁通表面圖。懸浮環(huán)有一個(gè)大半徑Rc和一個(gè)小半徑a。最簡(jiǎn)單的真空室?guī)缀涡螤顚⑹且粋€(gè)球形形狀,最后一個(gè)閉合通量表面將假定有一個(gè)半徑Rw。典型的Rw≥5Rc,將允許大幅度降低等離子體的壓強(qiáng)。等離子體壓強(qiáng)將在中平面半徑R0處達(dá)到峰值。在環(huán)表面(位于R=Rc+a)和峰值壓強(qiáng)位置之間有好的曲率,并且由于環(huán)附近的磁場(chǎng)相對(duì)較高,因此預(yù)期橫越磁力線的輸運(yùn)較低。因此,我們預(yù)期陡峭的壓強(qiáng)梯度在這個(gè)區(qū)域。在峰值壓強(qiáng)區(qū)域之外,壓強(qiáng)將在“壞”曲率區(qū)衰減,而MHD穩(wěn)定性要求相對(duì)平坦的壓強(qiáng)梯度。這導(dǎo)致了大體積的弱場(chǎng)和低密度等離子體。因此,偶極子約束裝置看起來像一個(gè)小環(huán),由位于相對(duì)大的球形真空室內(nèi)的熱等離子體圍繞。比壓,也就是等離子體與磁壓強(qiáng)的比值,是磁場(chǎng)利用率的量度。由于磁場(chǎng)和壓強(qiáng)一起下降,β僅隨半徑緩慢衰減。圖5表示中平面等離子體的壓強(qiáng)分布。

圖4 磁偶極場(chǎng)的磁場(chǎng)及其通量表面Fig.4 Magnetic field and flux surfaceof magnetic dipole field

圖5 中平面等離子體的壓強(qiáng)分布Fig.5 Pressure distribution of midplane plasma

與托卡馬克裝置相比,發(fā)展磁偶極場(chǎng)裝置聚變能源有如下優(yōu)勢(shì)：

1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及造價(jià)低。裝置結(jié)構(gòu)中心位置為單一漂浮環(huán)形磁體線圈,用以產(chǎn)生約束磁場(chǎng),無TF線圈和OH線圈,外側(cè)為大體積真空室。結(jié)構(gòu)上等離子體被約束與磁體環(huán)外側(cè),等離子體的壓強(qiáng)分布峰值和密度分布峰值同時(shí)出現(xiàn)在偶極子磁體線圈外側(cè)赤道附近。

2)極高比壓(β)。磁偶極場(chǎng)裝置的β可以高達(dá)100%,與托卡馬克的環(huán)向β相比,要高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

3)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,沒有破裂現(xiàn)象的發(fā)生。在等離子體滿足絕熱壓縮的條件下,電和磁的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致等離子體朝內(nèi)的箍縮現(xiàn)象,從而等離子體發(fā)生自組織重建。等離子體能量和粒子并不會(huì)迅速損失。

4)加料和排灰。加料和排灰在點(diǎn)火反應(yīng)堆中是重要的問題。磁偶極場(chǎng)裝置中的排灰可以通過芯部等離子體的擾動(dòng)來進(jìn)行。因?yàn)樵诖排紭O場(chǎng)裝置中,芯部等離子體的擾動(dòng)并不會(huì)使約束變壞,反而可以有效地把灰排除到約束區(qū)外。尤其對(duì)于采用先進(jìn)燃料運(yùn)行特別重要,因?yàn)槠渌芯圩儺a(chǎn)物均沉積在聚變等離子體內(nèi)。無剪切的偶極子磁約束位形僅受到對(duì)流團(tuán)的影響[4-5]。在邊界穩(wěn)定的臨界壓力梯度下,所產(chǎn)生的對(duì)流可以在沒有凈能量輸送的情況下輸送粒子,即堆芯熱等離子體隨著其向外對(duì)流而冷卻,并且外部等離子體隨著其向內(nèi)對(duì)流而加熱,這將為加熱反應(yīng)的等離子體提供理想的方法。

5)能量與粒子約束時(shí)間問題。在磁約束聚變等離子體堆芯中,聚變點(diǎn)火的反應(yīng)條件取決于粒子約束時(shí)間(τP)與能量約束時(shí)間(τE)值比?；诰圩兒朔磻?yīng)截面數(shù)據(jù)分析得知,典型地D-T點(diǎn)火條件為τP/τE<15,D-3He點(diǎn)火條件為τP/τE<3,D-D點(diǎn)火條件為τP/τE=1～1.5。托卡馬克聚變堆的等離子體約束在磁體內(nèi)部,聚變反應(yīng)產(chǎn)生的雜質(zhì)難以及時(shí)排除,等離子體雜質(zhì)濃度較高,其τP/τE=2～5；偶極場(chǎng)聚變等離子體在磁體外側(cè),聚變反應(yīng)產(chǎn)生的雜質(zhì)容易及時(shí)排除,其τP/τE≈1?？梢?托卡馬克上僅適用于D-T聚變,難以用于先進(jìn)的D-3He和D-D聚變反應(yīng),而偶極場(chǎng)聚變不僅可以用于D-T,還可以用于D-3He和D-D聚變反應(yīng),這是因?yàn)镈-3He和D-D反應(yīng)截面比D-T反應(yīng)截面低一個(gè)到兩個(gè)多數(shù)量級(jí),對(duì)雜質(zhì)濃度限制極為嚴(yán)格。

6)實(shí)現(xiàn)低中子化聚變反應(yīng),無氚自持問題。由于高比壓的特性,等離子體的聚變?nèi)朔e量可以達(dá)到很高。因此我們可以采用中子產(chǎn)額較小的,反應(yīng)截面也較小的D-D 或D-3He反應(yīng)。所以也無需氚自持。

7)輸運(yùn)和新經(jīng)典效應(yīng)。托卡馬克有一種“新經(jīng)典”輸運(yùn)導(dǎo)致約束退化問題,它源自粒子遠(yuǎn)離通量表面的漂移。盡管磁偶極裝置等離子體形狀與托卡馬克裝置類似成環(huán)狀,但是由于只存在極向磁場(chǎng),因此沒有遠(yuǎn)離磁面的漂移運(yùn)動(dòng)。在偶極子中,漂移是環(huán)形的,它們定義了通量表面,因此偶極子中的所能達(dá)到的最低輸運(yùn)是由“經(jīng)典”而不是由“新經(jīng)典”極限所決定的。

8)無需考慮高熱負(fù)荷的材料問題。一方面,真空室半徑遠(yuǎn)大于等離子體約束區(qū)半徑；另一方面,峰值等離子體壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于刮削層等離子體壓強(qiáng)。峰值壓強(qiáng)P0和刮削層壓強(qiáng)Psol關(guān)系為：

P0=Psol-(rsol/r0)20/3～105-107

(2)

其中,rsol和r0分別表示刮削層和峰值壓強(qiáng)處的半徑。

目前,國(guó)際上對(duì)偶極場(chǎng)聚變裝置的研究仍處在起步階段,主要用于基本的等離子體物理研究。在CTX裝置上,研究表明交換不穩(wěn)定性引起的擴(kuò)散是徑向向內(nèi)的。日本東京大學(xué)的RT-1(Ring Torus)裝置上證實(shí)了伯努利-貝爾特拉米分布(Bernoulli-Beltrami profiles)?？蓧嚎s分布的穩(wěn)定性(Profiles shaped by compressibility)在美國(guó)麻省理工大學(xué)的LDX(Levitation Dipole eXperiment)裝置上也得到證實(shí)。并且,進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究表明這種等離子體的箍縮現(xiàn)象可能是由大尺度的流結(jié)構(gòu)所引起的,但這種流結(jié)構(gòu)目前并沒有在實(shí)驗(yàn)中直接測(cè)量?？傮w上,一方面,偶極場(chǎng)裝置的溫度和密度等參數(shù)相對(duì)于聚變反應(yīng)所需的溫度和密度條件來說還很低；另一方面,對(duì)偶極場(chǎng)裝置等離子體物理的研究來說還遠(yuǎn)沒有成熟,特別是對(duì)輔助加熱的等離子體特性的研究還很缺乏。因此,仍需建造偶極場(chǎng)聚變裝置并開展進(jìn)一步的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究工作。

偶極場(chǎng)由于自然穩(wěn)定及可采用先進(jìn)核聚變?nèi)剂系韧怀鰞?yōu)點(diǎn),擴(kuò)大了其未來的應(yīng)用范圍和前景。除開發(fā)聚變核電站外,還可以還發(fā)基于D-3He燃料的軍用或民用的空間火箭動(dòng)力系統(tǒng),空間核電站及大型船舶動(dòng)力系統(tǒng)等。D-T聚變動(dòng)力堆難以用在空間動(dòng)力系統(tǒng),因?yàn)殡耙谧猿稚a(chǎn)、提取、分離及儲(chǔ)存,然后再注入堆芯,這在外空這是很難做到的。3He月球及太空廣泛存在,對(duì)于空間聚變動(dòng)力反應(yīng)堆和軍民兩用大型船舶聚變動(dòng)力對(duì)等動(dòng)力系統(tǒng)的特殊應(yīng)用領(lǐng)域,其聚變?nèi)剂嫌昧坎淮?很適宜外太空開采。

可見,偶極場(chǎng)裝置建造為探索高溫聚變等離子體的約束特性,解決當(dāng)前磁約束聚變裝置存在的一些難題,并為未來的聚變研究探索出一條可能的途徑。

2 國(guó)內(nèi)外同類裝置發(fā)展及技術(shù)特點(diǎn)

總體來看,國(guó)外現(xiàn)有的幾個(gè)相關(guān)裝置：MIT的LDX、哥倫比亞大學(xué)的CTX、東京大學(xué)的RT-1、歐洲正負(fù)電子偶極場(chǎng)約束裝置。LDX、CTX和RT-1是考慮作為磁約束聚變裝置,但目前參數(shù)還不高。LDX于2012年已退役,CTX也由于經(jīng)費(fèi)不足已暫停運(yùn)行,目前唯一在運(yùn)行的是RT-1。歐洲正負(fù)電子是純基礎(chǔ)研究。表1是關(guān)于LDX、RT-1和CTX裝置工程參數(shù)及運(yùn)行模式的比較。LDX和RT-1均采用超導(dǎo)線圈,且均可以采用漂浮和支撐兩種運(yùn)行模式運(yùn)行。CTX采用銅線圈,并只有一種支撐模式運(yùn)行。

表1 LDX、RT-1裝置工程參數(shù)及運(yùn)行模式的比較

國(guó)內(nèi),哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HDX還處于建造階段,用于近地衛(wèi)星地球磁層及地球環(huán)境實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究,采用的銅導(dǎo)磁體及中線線圈支撐模式。北京大學(xué)和浙江大學(xué)有兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在做偶極場(chǎng)聚變等離子體的理論研究和數(shù)值模擬工作,但沒有建造偶極場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的計(jì)劃。

早期的偶極場(chǎng)裝置,產(chǎn)生極向磁場(chǎng)的線圈是由支撐架支撐的,因而所獲得的等離子體的密度較低。如美國(guó)普林斯頓的FM-1球形器(Spherator)[6]和利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的漂浮器(Levitron)實(shí)驗(yàn)裝置[7]等。后來,在LDX(Levitation DipoeeXperiment)裝置上,采用漂浮超導(dǎo)線圈消除末端損失后,等離子體的約束得到明顯的改善。等離子體的密度和離子溫度分別達(dá)到ne=1×1019m-3,Ti=200 eV。20世紀(jì)80年代,美國(guó)空間航天項(xiàng)目向宇宙發(fā)送的旅行者2號(hào),在與木星及天王星相遇后發(fā)現(xiàn)了行星外層空間等離子體環(huán)β比壓約等于100%,其后日裔美國(guó)人Akira Hasegawa首次提出了考慮使用由懸浮環(huán)產(chǎn)生的偶極磁場(chǎng)以及大真空室半徑的改進(jìn)方案改進(jìn)過去的懸浮裝置,并預(yù)言可用于磁約束聚變概念研究。由于采用懸浮線圈可消除末端損失,1998—2004年,哥倫比亞大學(xué)和MIT聯(lián)合開發(fā)、建造和運(yùn)行了第一個(gè)基于懸浮線圈概念的LDX(Levitation DipoeeXperiment)物理探索實(shí)驗(yàn)裝置[8-10],從此偶極場(chǎng)聚變進(jìn)入實(shí)質(zhì)性研究新階段。

3 國(guó)外偶極場(chǎng)聚變裝置取得的突破性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

目前,美國(guó)LDX及日本RT-1是兩個(gè)采用懸浮超導(dǎo)磁體環(huán)及大真空室的僅有兩個(gè)建成的實(shí)驗(yàn)裝置,兩個(gè)裝置根據(jù)自己特點(diǎn)均取得了大量創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)成果。LDX裝置運(yùn)行直至2012年退役,目前僅RT-1還在運(yùn)行。

如圖6所示為建在美國(guó)麻省理工的LDX和日本東京大學(xué)的RT-1兩個(gè)懸浮偶極場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置平面圖。從圖中可見,LDX裝置結(jié)構(gòu)中心位置為單一漂浮環(huán)形磁體線圈,用以產(chǎn)生約束磁場(chǎng),無TF線圈和OH線圈；外側(cè)為大體積真空室；真空室徑向外側(cè)為一對(duì)小型Helmholtz成形控制線圈；垂直上端為懸浮控制線圈；垂直下端為感應(yīng)充電線圈。結(jié)構(gòu)上等離子體被約束與磁體環(huán)外側(cè),等離子體的壓強(qiáng)分布峰值和密度分布峰值同時(shí)出現(xiàn)在偶極子磁體線圈外側(cè)赤道附近,即聚變反應(yīng)核心區(qū)。另外,外側(cè)真空室可向外擴(kuò)展,有利降低第一壁中子負(fù)載及熱負(fù)載,提高第一壁材料抗輻照損傷能力和排熱能力。

LDX在實(shí)驗(yàn)期間取得了大量突破性實(shí)驗(yàn)成果,從實(shí)驗(yàn)室初步驗(yàn)證了過去空間等離子體科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的一系列現(xiàn)象[11],取得等離子體峰值密度1×1019m-3、β比壓30%～40%及等離子體溫度200 eV等實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了MHD交換模穩(wěn)定,以及證實(shí)熵模湍流輸運(yùn)驅(qū)動(dòng)建立新臨界自組織穩(wěn)定性。圖7為2010年LDX在自然雜志物理類刊物發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12],首次獲得不同低頻湍流擾動(dòng)下內(nèi)箍縮驅(qū)動(dòng)下形成的等離子體壓力及密度峰值穩(wěn)定性分布結(jié)果。該結(jié)果表明,偶極場(chǎng)等離子體峰值參數(shù)可以通過外部湍流能量輸入實(shí)現(xiàn)。

同樣,日本東京大學(xué)建造類似懸浮磁體裝置日本RT-1,裝置于2006年第一次放電,近年也取得了重大實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。與LDX裝置一樣,RT-1同樣重復(fù)驗(yàn)證了天體等離子體的內(nèi)箍縮、交換模及熵模穩(wěn)定性及湍流輸運(yùn)壓力穩(wěn)定性峰值分布等規(guī)律,其標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)結(jié)果是2014年RT-1測(cè)試到局部β比壓大于100%,成果發(fā)表在2015年Nucear Fusion雜志發(fā)表[13]。目前RT-1仍在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。這些裝置在實(shí)驗(yàn)室里初步證實(shí)了空間行星磁化層等離子體環(huán)的湍流驅(qū)動(dòng)內(nèi)箍縮、高比壓(β約等于1)及穩(wěn)定性等重要原理性特征。由于原來物理參數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)不同,總體約束磁場(chǎng)及等離子體密度參數(shù)總體偏低。

圖6 美國(guó)MIT的LDX及日本東京大學(xué)RT-1偶極場(chǎng)裝置平面位形圖示Fig.6 Plane configuration of dipole field devicesforLDX in MIT of the United States and RT-1 in TokyoUniversity of Japan

圖7 LDX裝置等離子體湍流內(nèi)箍縮及壓力及密度峰值分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of pinch and peak pressure and density distribution in plasma turbulence in LDX device

圖8 在50 kW及8.2 GHz的ECRH加熱條件下,RT-1取得β>100%歷史記錄Fig.8 Under the condition of 50 kW and 8.2 GHz ECRH heating,RT-1 obtained β andβ1,and the history was recorded

4 機(jī)會(huì)及挑戰(zhàn)

目前，世界上建造托卡馬克聚變物理實(shí)驗(yàn)裝置近100個(gè)裝置,ITER和CFETR大科學(xué)項(xiàng)目是前面近100個(gè)裝置的集大成者。偶極場(chǎng)裝置目前處于早期發(fā)展階段,要發(fā)展到ITER的成熟程度,考慮可借鑒托卡馬克成熟經(jīng)驗(yàn),估計(jì)還需分期建造20～30個(gè)類似偶極場(chǎng)裝置,估計(jì)總投資200多億美元。偶極場(chǎng)裝置是起步較晚,目前國(guó)內(nèi)了解和關(guān)注的人并不多,國(guó)內(nèi)類似的磁約束聚變裝置還沒有,但是沒有并不是它不先進(jìn)或走不通。出現(xiàn)這種情況,我們分析有以下兩方面原因：

1)ITER和CFETR聚變堆是人類第一次建造的第一代聚變堆,ITER正處于建造階段,CFETR也正處于國(guó)家專項(xiàng)立項(xiàng)的關(guān)鍵階段,吸引了大量資金和人力資源,盡管如此,其托卡馬克聚變堆開發(fā)依然處于剛剛起步階段,還遠(yuǎn)沒有完成其歷史性的階段任務(wù)和目標(biāo)。

2)目前世界上偶極場(chǎng)聚變裝置處于等離子體基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)階段,雖然取得了可喜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但是總體上離等離子體聚變反應(yīng)所要求的密度和溫度還有不小差距,只是被認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證了過去空間磁化等離子體的高比壓、MHD湍流穩(wěn)定性、低頻擾動(dòng)內(nèi)箍縮、穩(wěn)定的密度及壓力峰值分布規(guī)律等,該結(jié)果還無法證實(shí)其聚變途徑的物理可行性性,更談不上修改目前的磁約束聚變發(fā)展的技術(shù)路線。

目前,偶極場(chǎng)聚變裝置主要存在的挑戰(zhàn)問題是：更大規(guī)模裝置上高溫高密等離子體的穩(wěn)定性及約束性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；懸浮超導(dǎo)磁體環(huán)的長(zhǎng)期維持和冷卻問題；大真空室的制造工藝及防泄漏密封等問題。

5 我國(guó)的研究現(xiàn)狀及建議

目前,我國(guó)對(duì)于偶極場(chǎng)物理研究和實(shí)驗(yàn)裝置建造主要限于空間等離子體物理研究方向,對(duì)聚變研究方向只是剛剛起步,但是已經(jīng)越來越引起關(guān)注和重視。

值得一提是,在江西省省委領(lǐng)導(dǎo)的指示和關(guān)懷下,省科技廳在能所能及的有限經(jīng)費(fèi)條件下,依托東華理工大學(xué)已經(jīng)率先在2019年省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃正式立項(xiàng)支持中國(guó)第一個(gè)偶極場(chǎng)聚變實(shí)驗(yàn)裝置——中國(guó)天環(huán)一號(hào)(CAT-1：China Astro-Torus No.1)建造的預(yù)研工作。該預(yù)研工作旨完成裝置設(shè)計(jì)及其技術(shù)可行性研究,為下一步江西省和國(guó)家擬共建的“天環(huán)一號(hào)”(CAT-1)偶極場(chǎng)大科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際工程建造提供基于科學(xué)依據(jù)和堅(jiān)實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案。中國(guó)“天環(huán)一號(hào)”實(shí)驗(yàn)裝置的主要物理和工程設(shè)計(jì)參數(shù)為：真空室半徑4 m、超導(dǎo)環(huán)外表面磁場(chǎng)≥5 T 、超導(dǎo)環(huán),等離子體密度、溫度及β比壓分別達(dá)到5×1019m-3、500eV及100%及以上。

與國(guó)外3個(gè)同類偶極場(chǎng)裝置相比,CAT-裝置設(shè)計(jì)參數(shù)領(lǐng)先國(guó)外現(xiàn)有美國(guó)LDX、CTX及日本RT-1同類3個(gè)小型實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)參數(shù)水平,處于中國(guó)第一及世界領(lǐng)先。CAT-1大科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置能如期建造并完成預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),其不僅對(duì)國(guó)際磁約束聚變發(fā)展將產(chǎn)生重大影響,而且對(duì)江西省吸引國(guó)家科研經(jīng)費(fèi)投入和大批優(yōu)秀的科學(xué)家參與意義重大。

我們認(rèn)為,鑒于偶極場(chǎng)磁約束核聚變途徑的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀及未來巨大發(fā)展?jié)摿?而且由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及投資成本不高,是充分利用后發(fā)優(yōu)勢(shì)的理想途徑之一。因此,我們建議國(guó)家在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域積極立項(xiàng)長(zhǎng)期支持其基礎(chǔ)性及前沿性理論和實(shí)驗(yàn)研究研究。

6 結(jié)束語(yǔ)

1)偶極場(chǎng)聚變相較于托卡馬卡等途徑的一系列的獨(dú)特物理和工程優(yōu)越性能,尤其是其不破裂、可能繞過的氚自持和14 MeV中子等,使其在商用聚變堆開發(fā)顯示出的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì),我們無法不對(duì)其未來發(fā)展?jié)摿σ鸶叨戎匾暋?/p>

2)無論是基于托卡馬克聚變堆,還是基于偶極場(chǎng)聚變堆,都屬于磁約束聚變領(lǐng)域,兩者雖有不同優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn),但是兩者存在超過80%的共通性學(xué)科和材料領(lǐng)域,托卡馬克積累的大量物理知識(shí)、工程技術(shù)、加熱手段及研究方法等可以直接用于偶極場(chǎng)裝置,只要資金和人力投入到位,其實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展是完全可能的。

3)由于不存在第一壁材料等離子體破裂及氚自持等重大挑戰(zhàn)問題,因此一旦偶極場(chǎng)聚變物理實(shí)驗(yàn)取得突破,綜合來講,其商用化開發(fā)周期很可能并不比托卡馬克聚變堆晚。

4)此外,偶極場(chǎng)磁約束等離子體與天體磁層空間等離子體具有相同的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和物理運(yùn)行機(jī)制,它也是深空探測(cè)技術(shù)研發(fā)的不可或缺的重要實(shí)驗(yàn)手段,因此可以開發(fā)裝置的多用途。