我国核聚变新成果,中科院在“永磁体仿星器”设计研究取得进展

2022-01-27 22:17:31 IT之家
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IT之家 1 月 27 日消息,据中科院之声消息,近日,中科院合肥研究院集成永磁体和简单线圈的先进仿星器设计研究获进展。

IT之家了解到,反应堆最常见的设计称为托卡马克装置 (Tokamak),这是一个类似圆形线圈的中空金属结构。燃料在加热到 1.5 亿摄氏度以上时,能形成高温等离子体。我国的“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)实现 1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行。

▼“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)

尽管托卡马克装置能理想地约束这种等离子体,但也暴露出一些安全风险,比如当电流故障时,磁场就会立即崩溃。

仿星器是聚变三乘积参数仅次于托卡马克的磁约束核聚变途径,与托卡马克相比,具有稳态运行的优势,避免了托卡马克的主要缺点:等离子体大破裂。然而,长期以来,仿星器并没有作为聚变堆技术路线的首选,主要原因有两个:

  • 一是传统仿星器磁场的波纹度比托卡马克大,导致其新经典输运水平和高能粒子损失水平高于托卡马克。

  • 二是仿星器需要三维结构的线圈,结构复杂、制造难度大、成本高。

针对这两个难点,科研人员已在前期工作中开展研究并取得进展。长期以来,仿星器研究领域试图通过优化磁场位形来降低仿星器的新经典输运水平和高能粒子损失水平。研究发现,可通过仿星器磁场位形优化实现精确准对称,证明了仿星器可以实现和托卡马克相当的新经典输运水平和高能粒子损失水平(Physical Review Letters)。

结合永磁体的仿星器是国际仿星器研究领域的热点,而如何用工程简单的永磁体块产生所需的三维磁场是研究难点。近期,徐国盛课题组首次提出一种标准化永磁体设计策略。该策略采用了“分治策略”的思路,将永磁体块的设计过程分解为逐个设计每一块永磁体,然后进行多次迭代以获得最优设计,迭代过程包括局部优化和全局优化两个部分。

▼集成永磁体和简单线圈的先进仿星器设计

该思路易于高度限定每一块永磁体的具体形式,直接以工程实现为出发点进行永磁体设计。基于该设计策略,徐国盛课题组实现了仿星器永磁体的标准化,即所有永磁体块大小、形状,剩磁强度完全相同且磁化方向为有限个指定方向之一。该设计使得永磁体块可批量生产,降低了加工制造成本。此外,统一的大小、形状使得永磁体块可以拼装起来,有利于装配精度控制。该研究有助于永磁体仿星器从概念设计阶段迈向工程实现,推动仿星器的发展。

相比于当前仿星器采用的极为复杂的三维扭曲线圈,可批量制造的标准化磁体块以及简单线圈的低生产成本和低工程难度对仿星器的设计、建造、维护具有重要意义,将永磁体和准对称位形结合起来的先进仿星器有望成为具有竞争力的低成本稳态磁约束聚变实验装置。

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