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首次紧凑环注入磁约束等离子体实验获得成功
2021-06-21 14:53
中国科学技术大学
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  日前,从依托中国科学技术大学核科学技术学院建设的合肥综合性国家科学中心多途径磁约束核聚变研究中心传来消息:该团队自主设计建造完成国内首台紧凑环注入装备,并成功利用该装备对磁约束等离子体装置进行燃料注入,显著提升了等离子体密度。这是首次在国内磁约束聚变装置利用紧凑环概念实现芯部加料,标志着我国成为世界上第四个掌握此关键技术的国家。

核科学技术学院

  在未来聚变反应堆条件下,为提高聚变燃烧率,必须将燃料粒子直接注入反应堆芯部强磁场约束的高温等离子体中,现有的传统加料方式(如弹丸和超声分子束等)受限于弹丸材质及低速等因素,难以直接注入到芯部,新型聚变反应堆加料方式的探索探究势在必行。据紧凑环实验负责人兰涛副教授介绍,紧凑环(compact torus,CT)注入原理是通过脉冲高压将燃料气体电离,形成高密度的自组织等离子体环,利用强洛伦兹力将紧凑环加速到超高定向速度,从而实现空间深度燃料注入。这种新型注入技术具有寿命长、密度大和速度高的突出优点,可为极强磁场大型托卡马克(如ITER和CFETR)芯部加料难题提供解决方案。另外还可以通过精确控制注入量和注入深度,实现调节等离子体密度与压力剖面、优化等离子体电流分布及改善约束的目标。

  在本轮实验中,由多途径磁约束核聚变研究团队研制的紧凑环注入系统(KTX-CTI)被安装至科大反场箍缩磁约束聚变实验装置(Keda Torus eXperiment, KTX)上开展等离子体注入研究,紧凑环等离子体以正入射方式注入。KTX-CTI紧凑环注入系统总长3米,由两套20千伏高压脉冲电源进行双电源驱动,电源短路最大电流达550千安;装置同时配备自主研发的高密度高带宽光纤激光干涉仪进行实时等离子体电子密度和注入速度诊断。在KTX反场箍缩等离子体放电过程中,紧凑环高速注入后多道太赫兹干涉仪观测到等离子体密度剖面显著抬升,表明注入紧凑环等离子体已经穿透强磁场实现与主等离子体的融合达到加料效果。实验目前已经实现了最高注入速度285千米每秒、等离子体最大密度1.2×1022每立方米和最大粒子数达7.1×1019,指标跻身国际前列。

  未来多途径磁约束核聚变研究团队将聚焦紧凑环注入在反应堆芯部加料关键问题上的研发,在国内大科学工程上开展相关工作,为磁约束聚变装置芯部加料提供基础实验支撑。

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