聚变堆稳态高约束先进运行模式的探索和机理研究

2017-11-15

能源是社会发展的基石。托卡马克是未来实现受控核聚变能的主要研究途径之一，经过各国科学家们近六十年的努力，在托卡马克装置上产生聚变能的科学可行性已被证实，其研究正朝着稳态高约束先进等离子体运行的方向进行。能否在高参数高约束模式下实现反应堆要求的稳态先进运行模式，是直接关系到托卡马克未来能否建成聚变示范反应堆并实现商用化的重要科学问题，这也是未来国际热核聚变实验堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）能否成功运行的关键。我国自行设计研制的EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）装置是主动水冷非圆截面全超导托卡马克装置，于2006年实现等离子体运行，是世界上少数和ITER类似的装置，其研究经验和实验结果可以直接为ITER装置所参考。

中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所承担的“聚变堆稳态高约束先进运行模式的探索和机理研究”项目，依据2015年度国家磁约束核聚变能发展研究专项的申报指南提出申请，主要目标是以EAST全超导托卡马克装置为依托，以ITER关注的关键科学问题和科学目标为牵引，以具体的实验研究与数值模拟相结合为手段，与各类装置实验结果相比较及相互验证，针对ITER和未来聚变反应堆高性能稳态运行问题，开展广泛的国内国际合作与交流，建立国际联合实验研究小组。

在EAST托卡马克实验装置上，重点开展与堆芯相关的高性能等离子体稳态运行的集成实验研究。探索和发展适用于未来示范堆条件的先进运行单元新技术和新方法。通过托卡马克完全非感应电流驱动的数值模拟、稳态先进运行方案的理论设计和预研，探索实现高比压、高自举电流稳态等离子体的有效方法，研究其相关的物理机制及其应用于未来聚变反应堆的可行性。利用低杂波实现及维持超长脉冲电流驱动，实现电流分布控制及约束改善的稳态运行模式。利用低杂波、射频波（ICRH，ECRH）、中性束的联合集成，开展等离子体主要参数分布控制及改善约束的稳态运行模式的实验探索，研究稳态高约束等离子体安全运行保障的关键技术，为将来ITER和反应堆的稳态运行提供研究积累和实验依据，并培养一支能参加未来ITER科学实验和运行的国内高水平的科学研究队伍。

经过项目团队的不懈努力，在EAST实验上通过集成运行演示了多种稳态高约束模式运行方案，实现了归一化极向比压达到2.0，自举电流份额超过35%的高性能等离子体；在钨偏滤器下，利用射频波加热与电流驱动获得了101秒完全非感应的稳态高约束运行模式（图1）；基于偏振干涉仪的电流剖面分布测量发展了EAST装置的动理学平衡重建。通过中美合作，在DIII-D装置上成功模拟EAST条件获得具体内部输运垒（ITB）的高比压（β_N～3.3）高自举电流(fbs～80%)的完全等离子体（H₉₈～1.5）（图2）；结合数值模拟与EAST实验，揭示了shafranov位移在此运行模式中的较强致稳作用，并从实验上观察到ITB的形成存在阈值（图3）。通过研究低杂波与等离子体相互耦合的机理，阐明了由于低杂波径向电场引起的极向不对称性，提出了高电子密度下提高电流驱动效率的途径；并结合理论模拟证实了低杂波有效控制电流密度分布的方法。自主发展了两套大视场红外内窥镜成像诊断系统，提高了测量的时空分辨率和观察视场，保证了装置的安全运行。

专家简介

龚先祖，中国科学院等离子体物理所研究员，托卡马克物理实验研究室副主任，EAST大科学工程管理委员会副主任，超导托卡马克EAST运行总负责人，ITER组织下ITPA_IOS物理组中方协调人，国际原子能机构会聚变能协调委员会（IEA Fusion Power Coordinating Committee）稳态运行协调组（SSOCG）专家组成员，“中国科学院等离子体所（ASIPP）-法国原子能委员会（CEA）”联合实验室合作研究项目“Long Duration Plasma Operation in EAST and WEST”中方负责人，中美磁约束聚变合作研究“EAST/DIII-D联合实验”中方协调人。主要研究方向为托卡马克集成稳态运行及等离子体与壁相互作用。发表论文20余篇，曾荣获国家科学技术进步奖一等奖、安徽省科技进步一等奖以及国家科技进步奖创新团队奖等荣誉奖励。

项目团队简介

项目研究团队总人数58人，其中正高职称16人，副高职称12人，另有30余名博士研究生和硕士研究生参与该项研究工作。人员专业结构包括项目所需要的等离子体物理学、物理电子学、微波技术、核聚变与等离子体、数值模拟、自动控制、微波技术、光学、托卡马克实验研究等。