偶極場磁約束聚變裝置性能特征及研究現狀

張國書,陳 騮2,孫占學,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,江西 南昌 330013;2.浙江大學,浙江 杭州 310058;3.北京大學,北京 100091;4.華中科技大學,湖北 武漢 430074)

發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90年代中國政府就制定了“壓水堆—快堆—聚變堆”三步走的核能發展戰略；2006年中國政府正式簽署了加入國際熱核聚變實驗堆(ITER)建造的文件,同年我國政府頒布實施了《國家中長期科技發展規劃綱要》,明確表示支持發展托卡馬克為主的磁約束聚變途徑；2013年,經國務院同意,在科技部牽頭協調下,中國啟動了中國聚變工程實驗反應堆(CFETR)的設計預研,表明中國將獨自設計建造世界第一座具有完全自主知識產權的氚自持功率運行聚變工程實驗反應堆,這是為中國2050年實現聚變能源的商業化開發所采取的實質性步驟,具有重大科學和戰略意義。

托卡馬克磁約束聚變無疑是目前世界各國投入最大,取得的物理實驗水平最高,工程技術及材料開發最成熟的技術途徑。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化仍然面臨許多重大的技術和經濟性挑戰問題,比如等離子體穩定與控制、氚自持、材料中子輻照、第一壁高熱負荷、極端多物理環境等問題,如材料問題在未來較長時間內是無法解決的。另一研究相對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,如穩態運行,但是其工程結構復雜,同時也存在托卡馬克存在的其它的一些問題,如材料問題。然而,解決這些問題對于漂浮磁偶極場裝置來說就變得相對容易。磁偶極場裝置是一種又具有工程結構簡單的優勢,因此它極有可能成為未來理想的商用聚變反應堆。

1 偶極場聚變裝置概述

懸浮偶極子磁場約束聚變裝置的概念是通過采用偶極磁場來約束穩定等離子體的方法,研究實現受控核聚變的新途徑。它是由浙江大學聚變中心陳騮教授和其導師日本Akira Hasegawa教授依據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單和最常見的磁場結構就是磁偶極場,它類似于單個載流線圈產生的極向磁場遠場,它代表了磁化行星和中子星的中間磁層的主要結構。圖1表示環電流所產生的磁場結構,圖2所示為木星大氣層的磁場結構和約束等離子體(紅褐色部分)形狀。宇宙天體中的磁化行星和中子星等外測常見到的偶極磁場結構,對宇宙中的高速飛行的帶電離子具有穩定的約束能力,形成天然的等離子體帶環。

圖1 環電流產生的磁偶極場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,激發的全域擾動將導致等離子體和能量的快速損失。相反,在宇宙中,由于突發性的地磁腔的壓縮(由于太陽風壓力的增強)或通過磁亞暴期間發生的不穩定性對流而誘發的大尺度的擾動將導致激發和填充的高能電子被俘獲在地球磁層內。即使當中心等離子體密度遠遠超過邊緣處的密度時,這種擾動也會引起從磁層邊界向內的粒子擴散。假設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驗室磁偶極場所約束,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。在行星磁層中,伴隨著強的磁和電擾動,等離子體向內的擴散和絕熱加熱代表了強磁化等離子體的基本特征。而這種向內的擴散和絕熱加熱過程在實驗室等離子體中,也得到了很好的證明,如圖3所示。在t1時刻邊緣等離子體中產生的擾動會逐漸向內運動,即通過t2,t3時刻后,最后在t4時刻,等離子體的芯部出現密度峰化區。

圖3 等離子體向內擴散的實驗室實驗證明(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。然而對磁偶極場裝置,除了上述三個不變量仍然成立之外,還利用了磁偶極場所特有的內能不變的特點,即基于等離子體所形成的壓力分布對磁和電的低頻擾動是臨界穩定的思想。對于理想的磁流體(MHD),當壓力分布p滿足絕熱條件時,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,此時等離子體內能的變化由下式可見ΔEp時等離子體內。在此條件下磁通管的絕熱膨脹導致等離子體的壓縮。

(1)

這種情況產生的壓力分布與半徑的定標關系為 ,類似于在地球磁層觀測到的高能粒子的壓力分布。由于磁場的方向沿極向,所以粒子沒有遠離磁通面的漂移運動,因此也沒有像在托卡馬克中看見的“新經典”的約束退化。另外,密度和溫度對半徑的依賴關系分別為ne～r-20/3和T～r-8/3。

圖4給出了實驗室尺寸懸浮偶極子的磁場和磁通表面圖。懸浮環有一個大半徑Rc和一個小半徑a。最簡單的真空室幾何形狀將是一個球形形狀,最后一個閉合通量表面將假定有一個半徑Rw。典型的Rw≥5Rc,將允許大幅度降低等離子體的壓強。等離子體壓強將在中平面半徑R0處達到峰值。在環表面(位于R=Rc+a)和峰值壓強位置之間有好的曲率,并且由于環附近的磁場相對較高,因此預期橫越磁力線的輸運較低。因此,我們預期陡峭的壓強梯度在這個區域。在峰值壓強區域之外,壓強將在“壞”曲率區衰減,而MHD穩定性要求相對平坦的壓強梯度。這導致了大體積的弱場和低密度等離子體。因此,偶極子約束裝置看起來像一個小環,由位于相對大的球形真空室內的熱等離子體圍繞。比壓,也就是等離子體與磁壓強的比值,是磁場利用率的量度。由于磁場和壓強一起下降,β僅隨半徑緩慢衰減。圖5表示中平面等離子體的壓強分布。

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

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

與托卡馬克裝置相比,發展磁偶極場裝置聚變能源有如下優勢：

1)結構簡單及造價低。裝置結構中心位置為單一漂浮環形磁體線圈,用以產生約束磁場,無TF線圈和OH線圈,外側為大體積真空室。結構上等離子體被約束與磁體環外側,等離子體的壓強分布峰值和密度分布峰值同時出現在偶極子磁體線圈外側赤道附近。

2)極高比壓(β)。磁偶極場裝置的β可以高達100%,與托卡馬克的環向β相比,要高2～3個數量級。

3)穩態運行,沒有破裂現象的發生。在等離子體滿足絕熱壓縮的條件下,電和磁的擾動會導致等離子體朝內的箍縮現象,從而等離子體發生自組織重建。等離子體能量和粒子并不會迅速損失。

4)加料和排灰。加料和排灰在點火反應堆中是重要的問題。磁偶極場裝置中的排灰可以通過芯部等離子體的擾動來進行。因為在磁偶極場裝置中,芯部等離子體的擾動并不會使約束變壞,反而可以有效地把灰排除到約束區外。尤其對于采用先進燃料運行特別重要,因為其所有聚變產物均沉積在聚變等離子體內。無剪切的偶極子磁約束位形僅受到對流團的影響[4-5]。在邊界穩定的臨界壓力梯度下,所產生的對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流而冷卻,并且外部等離子體隨著其向內對流而加熱,這將為加熱反應的等離子體提供理想的方法。

5)能量與粒子約束時間問題。在磁約束聚變等離子體堆芯中,聚變點火的反應條件取決于粒子約束時間(τP)與能量約束時間(τE)值比。基于聚變核反應截面數據分析得知,典型地D-T點火條件為τP/τE<15,D-3He點火條件為τP/τE<3,D-D點火條件為τP/τE=1～1.5。托卡馬克聚變堆的等離子體約束在磁體內部,聚變反應產生的雜質難以及時排除,等離子體雜質濃度較高,其τP/τE=2～5；偶極場聚變等離子體在磁體外側,聚變反應產生的雜質容易及時排除,其τP/τE≈1。可見,托卡馬克上僅適用于D-T聚變,難以用于先進的D-3He和D-D聚變反應,而偶極場聚變不僅可以用于D-T,還可以用于D-3He和D-D聚變反應,這是因為D-3He和D-D反應截面比D-T反應截面低一個到兩個多數量級,對雜質濃度限制極為嚴格。

6)實現低中子化聚變反應,無氚自持問題。由于高比壓的特性,等離子體的聚變三乘積量可以達到很高。因此我們可以采用中子產額較小的,反應截面也較小的D-D 或D-3He反應。所以也無需氚自持。

7)輸運和新經典效應。托卡馬克有一種“新經典”輸運導致約束退化問題,它源自粒子遠離通量表面的漂移。盡管磁偶極裝置等離子體形狀與托卡馬克裝置類似成環狀,但是由于只存在極向磁場,因此沒有遠離磁面的漂移運動。在偶極子中,漂移是環形的,它們定義了通量表面,因此偶極子中的所能達到的最低輸運是由“經典”而不是由“新經典”極限所決定的。

8)無需考慮高熱負荷的材料問題。一方面,真空室半徑遠大于等離子體約束區半徑；另一方面,峰值等離子體壓強遠遠高于刮削層等離子體壓強。峰值壓強P0和刮削層壓強Psol關系為：

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處的半徑。

目前,國際上對偶極場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,研究表明交換不穩定性引起的擴散是徑向向內的。日本東京大學的RT-1(Ring Torus)裝置上證實了伯努利-貝爾特拉米分布(Bernoulli-Beltrami profiles)。可壓縮分布的穩定性(Profiles shaped by compressibility)在美國麻省理工大學的LDX(Levitation Dipole eXperiment)裝置上也得到證實。并且,進一步的實驗研究表明這種等離子體的箍縮現象可能是由大尺度的流結構所引起的,但這種流結構目前并沒有在實驗中直接測量。總體上,一方面,偶極場裝置的溫度和密度等參數相對于聚變反應所需的溫度和密度條件來說還很低；另一方面,對偶極場裝置等離子體物理的研究來說還遠沒有成熟,特別是對輔助加熱的等離子體特性的研究還很缺乏。因此,仍需建造偶極場聚變裝置并開展進一步的基礎物理實驗研究工作。

偶極場由于自然穩定及可采用先進核聚變燃料等突出優點,擴大了其未來的應用范圍和前景。除開發聚變核電站外,還可以還發基于D-3He燃料的軍用或民用的空間火箭動力系統,空間核電站及大型船舶動力系統等。D-T聚變動力堆難以用在空間動力系統,因為氚要在自持生產、提取、分離及儲存,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,對于空間聚變動力反應堆和軍民兩用大型船舶聚變動力對等動力系統的特殊應用領域,其聚變燃料用量不大,很適宜外太空開采。

可見,偶極場裝置建造為探索高溫聚變等離子體的約束特性,解決當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 國內外同類裝置發展及技術特點

總體來看,國外現有的幾個相關裝置：MIT的LDX、哥倫比亞大學的CTX、東京大學的RT-1、歐洲正負電子偶極場約束裝置。LDX、CTX和RT-1是考慮作為磁約束聚變裝置,但目前參數還不高。LDX于2012年已退役,CTX也由于經費不足已暫停運行,目前唯一在運行的是RT-1。歐洲正負電子是純基礎研究。表1是關于LDX、RT-1和CTX裝置工程參數及運行模式的比較。LDX和RT-1均采用超導線圈,且均可以采用漂浮和支撐兩種運行模式運行。CTX采用銅線圈,并只有一種支撐模式運行。

表1 LDX、RT-1裝置工程參數及運行模式的比較

國內,哈爾濱工業大學的HDX還處于建造階段,用于近地衛星地球磁層及地球環境實驗測試研究,采用的銅導磁體及中線線圈支撐模式。北京大學和浙江大學有兩個團隊在做偶極場聚變等離子體的理論研究和數值模擬工作,但沒有建造偶極場實驗裝置的計劃。

早期的偶極場裝置,產生極向磁場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。如美國普林斯頓的FM-1球形器(Spherator)[6]和利弗莫爾國家實驗室的漂浮器(Levitron)實驗裝置[7]等。后來,在LDX(Levitation DipoeeXperiment)裝置上,采用漂浮超導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到ne=1×1019m-3,Ti=200 eV。20世紀80年代,美國空間航天項目向宇宙發送的旅行者2號,在與木星及天王星相遇后發現了行星外層空間等離子體環β比壓約等于100%,其后日裔美國人Akira Hasegawa首次提出了考慮使用由懸浮環產生的偶極磁場以及大真空室半徑的改進方案改進過去的懸浮裝置,并預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,哥倫比亞大學和MIT聯合開發、建造和運行了第一個基于懸浮線圈概念的LDX(Levitation DipoeeXperiment)物理探索實驗裝置[8-10],從此偶極場聚變進入實質性研究新階段。

3 國外偶極場聚變裝置取得的突破性實驗結果

目前,美國LDX及日本RT-1是兩個采用懸浮超導磁體環及大真空室的僅有兩個建成的實驗裝置,兩個裝置根據自己特點均取得了大量創新性實驗成果。LDX裝置運行直至2012年退役,目前僅RT-1還在運行。

如圖6所示為建在美國麻省理工的LDX和日本東京大學的RT-1兩個懸浮偶極場實驗裝置平面圖。從圖中可見,LDX裝置結構中心位置為單一漂浮環形磁體線圈,用以產生約束磁場,無TF線圈和OH線圈；外側為大體積真空室；真空室徑向外側為一對小型Helmholtz成形控制線圈；垂直上端為懸浮控制線圈；垂直下端為感應充電線圈。結構上等離子體被約束與磁體環外側,等離子體的壓強分布峰值和密度分布峰值同時出現在偶極子磁體線圈外側赤道附近,即聚變反應核心區。另外,外側真空室可向外擴展,有利降低第一壁中子負載及熱負載,提高第一壁材料抗輻照損傷能力和排熱能力。

LDX在實驗期間取得了大量突破性實驗成果,從實驗室初步驗證了過去空間等離子體科學研究發現的一系列現象[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等實驗結果。實驗驗證了MHD交換模穩定,以及證實熵模湍流輸運驅動建立新臨界自組織穩定性。圖7為2010年LDX在自然雜志物理類刊物發表的實驗結果[12],首次獲得不同低頻湍流擾動下內箍縮驅動下形成的等離子體壓力及密度峰值穩定性分布結果。該結果表明,偶極場等離子體峰值參數可以通過外部湍流能量輸入實現。

同樣,日本東京大學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驗進展。與LDX裝置一樣,RT-1同樣重復驗證了天體等離子體的內箍縮、交換模及熵模穩定性及湍流輸運壓力穩定性峰值分布等規律,其標志性實驗結果是2014年RT-1測試到局部β比壓大于100%,成果發表在2015年Nucear Fusion雜志發表[13]。目前RT-1仍在實驗運行。這些裝置在實驗室里初步證實了空間行星磁化層等離子體環的湍流驅動內箍縮、高比壓(β約等于1)及穩定性等重要原理性特征。由于原來物理參數設計目標不同,總體約束磁場及等離子體密度參數總體偏低。

圖6 美國MIT的LDX及日本東京大學RT-1偶極場裝置平面位形圖示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箍縮及壓力及密度峰值分布實驗結果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 機會及挑戰

目前，世界上建造托卡馬克聚變物理實驗裝置近100個裝置,ITER和CFETR大科學項目是前面近100個裝置的集大成者。偶極場裝置目前處于早期發展階段,要發展到ITER的成熟程度,考慮可借鑒托卡馬克成熟經驗,估計還需分期建造20～30個類似偶極場裝置,估計總投資200多億美元。偶極場裝置是起步較晚,目前國內了解和關注的人并不多,國內類似的磁約束聚變裝置還沒有,但是沒有并不是它不先進或走不通。出現這種情況,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也正處于國家專項立項的關鍵階段,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依然處于剛剛起步階段,還遠沒有完成其歷史性的階段任務和目標。

2)目前世界上偶極場聚變裝置處于等離子體基礎物理實驗階段,雖然取得了可喜的實驗結果,但是總體上離等離子體聚變反應所要求的密度和溫度還有不小差距,只是被認為在實驗室測試驗證了過去空間磁化等離子體的高比壓、MHD湍流穩定性、低頻擾動內箍縮、穩定的密度及壓力峰值分布規律等,該結果還無法證實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展的技術路線。

目前,偶極場聚變裝置主要存在的挑戰問題是：更大規模裝置上高溫高密等離子體的穩定性及約束性能的實驗驗證；懸浮超導磁體環的長期維持和冷卻問題；大真空室的制造工藝及防泄漏密封等問題。

5 我國的研究現狀及建議

目前,我國對于偶極場物理研究和實驗裝置建造主要限于空間等離子體物理研究方向,對聚變研究方向只是剛剛起步,但是已經越來越引起關注和重視。

值得一提是,在江西省省委領導的指示和關懷下,省科技廳在能所能及的有限經費條件下,依托東華理工大學已經率先在2019年省重點研發計劃正式立項支持中國第一個偶極場聚變實驗裝置——中國天環一號(CAT-1：China Astro-Torus No.1)建造的預研工作。該預研工作旨完成裝置設計及其技術可行性研究,為下一步江西省和國家擬共建的“天環一號”(CAT-1)偶極場大科學實驗裝置的實際工程建造提供基于科學依據和堅實數據基礎的設計方案。中國“天環一號”實驗裝置的主要物理和工程設計參數為：真空室半徑4 m、超導環外表面磁場≥5 T 、超導環,等離子體密度、溫度及β比壓分別達到5×1019m-3、500eV及100%及以上。

與國外3個同類偶極場裝置相比,CAT-裝置設計參數領先國外現有美國LDX、CTX及日本RT-1同類3個小型實驗裝置實驗參數水平,處于中國第一及世界領先。CAT-1大科學實驗裝置能如期建造并完成預期實驗目標,其不僅對國際磁約束聚變發展將產生重大影響,而且對江西省吸引國家科研經費投入和大批優秀的科學家參與意義重大。

我們認為,鑒于偶極場磁約束核聚變途徑的獨特優點、發展現狀及未來巨大發展潛力,而且由于結構簡單及投資成本不高,是充分利用后發優勢的理想途徑之一。因此,我們建議國家在基礎研究領域積極立項長期支持其基礎性及前沿性理論和實驗研究研究。

6 結束語

1)偶極場聚變相較于托卡馬卡等途徑的一系列的獨特物理和工程優越性能,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顯示出的強大優勢,我們無法不對其未來發展潛力引起高度重視。

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

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問題,因此一旦偶極場聚變物理實驗取得突破,綜合來講,其商用化開發周期很可能并不比托卡馬克聚變堆晚。

4)此外,偶極場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結構和物理運行機制,它也是深空探測技術研發的不可或缺的重要實驗手段,因此可以開發裝置的多用途。