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2021年06月20日
首次緊湊環注入磁約束等離子體實驗獲得成功

日前,從依托我校核科學技術學院建設的合肥綜合性國家科學中心多途徑磁約束核聚變研究中心傳來消息:該團隊自主設計建造完成國內首臺緊湊環注入裝備,并成功利用該裝備對磁約束等離子體裝置進行燃料注入,顯著提升了等離子體密度。這是首次在國內磁約束聚變裝置利用緊湊環概念實現芯部加料,標志著我國成為世界上第四個掌握此關鍵技術的國家。

在未來聚變反應堆條件下,為提高聚變燃燒率,必須將燃料粒子直接注入反應堆芯部強磁場約束的高溫等離子體中,現有的傳統加料方式(如彈丸和超聲分子束等)受限于彈丸材質及低速等因素,難以直接注入到芯部,新型聚變反應堆加料方式的探索探究勢在必行。據緊湊環實驗負責人蘭濤副教授介紹,緊湊環(compact torus,CT)注入原理是通過脈沖高壓將燃料氣體電離,形成高密度的自組織等離子體環,利用強洛倫茲力將緊湊環加速到超高定向速度,從而實現空間深度燃料注入。這種新型注入技術具有壽命長、密度大和速度高的突出優點,可為極強磁場大型托卡馬克(如ITER和CFETR)芯部加料難題提供解決方案。另外還可以通過精確控制注入量和注入深度,實現調節等離子體密度與壓力剖面、優化等離子體電流分布及改善約束的目標。

在本輪實驗中,由多途徑磁約束核聚變研究團隊研制的緊湊環注入系統(KTX-CTI)被安裝至科大反場箍縮磁約束聚變實驗裝置(Keda Torus eXperiment, KTX)上開展等離子體注入研究,緊湊環等離子體以正入射方式注入。KTX-CTI緊湊環注入系統總長3米,由兩套20千伏高壓脈沖電源進行雙電源驅動,電源短路最大電流達550千安;裝置同時配備自主研發的高密度高帶寬光纖激光干涉儀進行實時等離子體電子密度和注入速度診斷。在KTX反場箍縮等離子體放電過程中,緊湊環高速注入后多道太赫茲干涉儀觀測到等離子體密度剖面顯著抬升,表明注入緊湊環等離子體已經穿透強磁場實現與主等離子體的融合達到加料效果。實驗目前已經實現了最高注入速度285千米每秒、等離子體最大密度1.2×1022每立方米和最大粒子數達7.1×1019,指標躋身國際前列。

未來多途徑磁約束核聚變研究團隊將聚焦緊湊環注入在反應堆芯部加料關鍵問題上的研發,在國內大科學工程上開展相關工作,為磁約束聚變裝置芯部加料提供基礎實驗支撐。

(核科學技術學院)



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