今天,新奥“玄龙-50”诞生,兼谈球形环

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see4201 | reply20 | 2022-1-5 10:03:28 | 显示全部楼层 |Reading mode
上一篇专栏翻译了私有聚变装置的一些介绍,本打算按照文中所提及的几台装置先介绍国外的私有资本推进的聚变装置,再介绍国内的情况。但是今天传来令人振奋的消息称“我国首座中等规模球形托卡马克聚变实验装置——新奥“玄龙-50”8日在河北廊坊建成,并实现第一次等离子体放电”。因此本文就介绍新奥“玄龙-50”的装置类型,也就是所谓的球形环。



图一 玄龙-50

总体来说,与国外的私有资本推动的聚变装置类型相似,新奥也选择了相对小型的装置类型,球形环。这也是为何玄龙-50能在1年多的时间内完成建造装配,并于今天成功放电的原因了。那么球形环是一种什么装置呢?
我们可以按照放电时间和等离子体位形将不同的聚变装置进行分类,如图2:



图二 聚变装置分类

类似于托卡马克,球形环(Spherical torus)是一种准稳态的装置。球形环兴起于1990年代,又称为球形托卡马克(Spherical Tokamak:ST)。本专栏几年前介绍的英国聚变创业公司Tokamak Energy正是采用了这一装置形态。上一篇专栏翻译文章中有介绍到TE公司已经完成了几个阶段的里程碑工作,同时也完成了A轮融资约为5000万镑的融资。球形环是一种低环径比的装置,是传统托卡马克的变形。



图三 等离子体环向截面参数

托卡马克和球形环都是环向对称的,而环径比定义为等离子体环向截面的大小半径之比:
A=R/a
从图中可以看到R比a大出来的尺寸就是中心柱的半径,传统托卡马克的环径比一般在3以上,球形环则可以做到小于1.5。大的环径比下真空室内等离子体呈环向柱状(轮胎),环向截面一般是接近圆形的“D”形。当环径比减小时,整体等离子体形状开始接近球形。而其截面也不再是接近圆形,而与等离子体的比压有关,比压不同则会产生不同的环向截面。



图四 球马克与传统托卡马克等离子体整体形态对比

在托卡马克理论认为极向的拉长等离子体可以产生三角形变,而三角形变有利于等离子体的稳定。而球形环从形状上明显极向方向更长,因此球形环通常比托卡马克更稳定。
再看两种装置中磁力线的走向,也就是沿磁力线运动的带电粒子的大致轨迹(图5)。在传统托卡马克中,磁力线在环内侧和外侧的长度基木是一样或接近的。而在球形环里,由于环内侧与外侧高度不对称,它们过多地居环内侧,即磁场强的区域,而且是磁场曲率好(等离子体外部磁场强,内部磁场弱)的区域。这当然非常有利于磁流体稳定性。这些性质说明,球形环虽然和传统的托卡马克有同样的空间拓扑,但是有高的磁场利用率。它可在较低的磁场中产生较强的等离子体电流,并得到高的比压值。此外,在这样的装置中,未观察到一般托卡马克中的电流破裂现象。与此同时,由于拓扑形状的特点可以让球形环很自然的产生偏滤器位形,而不是像托卡马克运行中所做的,先是限制器位形然后拉长成偏滤器位形,这样一来就会少了很多控制上的破裂风险。



图五 球马克比传统托卡马克Q值更大

以上说的都是优点,大家会问了,既然这么好为什么现在主流装置还是传统的托卡马克而不是球马克呢?我们看看球马克的缺点:
1. 有一定的工程难度,因为大小半径非常接近,导致中心柱半径很小,在这样的小半径下还需要安装真空室壁和环向场线圈,无疑是有难度的;
2. 也正是因为中心螺线管的空间过于狭窄,它能产生的磁通变化量很有限,从而提供的伏秒数较托卡马克小很多,导致驱动电流能力差;因此球马克的效率不会很高,这是这类装置的重要缺点。
3. 从反应堆的角度来看,我们知道传统托卡马克存在中子辐照导致材料变性的问题,这一问题在球形环中被进一步放大,因为中心柱体积小,因此存在“皮薄馅大”的情况,从而中心柱中的构件,比如线圈所得到的保护将会非常有限。
以上三个问题是球形环的主要问题,也是其主要研究方向,比如非感应电流驱动等离子体(针对第二条),中心柱是否能取消,等等。



图六 球形环MAST放电,(a)L-mode, (b)H-mode,(c)ELM

为了奖励大家都能看到这里,最后贴一个视频,感受一下球形环放电的稳定美。

球形环MAST装置放电实验
https://www.zhihu.com/video/1143135707903160320
有点仓促,错误难以避免,评论区见。
参考:

  • 澎湃新闻能见度“中国首座中等规模球形托卡马克聚变实验装置建成”操秀英/科技日报
2019-08-09 ;
中国首座中等规模球形托卡马克聚变实验装置建成
2. 王晓钢老师博客:"新奥速度,玄龙起舞 2019year8month8日记事"
新奥速度,玄龙起舞 2019year8month8日记事
3. Tokamak Energy: Small Spherical Tokamaks and their potential role in development of fusion power

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猫猫的思念伎 | 2022-1-5 10:04:06 | 显示全部楼层
感觉还是仿星器最有前途
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三叉路来的锌 | 2022-1-5 10:04:59 | 显示全部楼层
实际上托卡马克最有前途,仿星器自从等离子体出现电流就一直止步不前了
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莫景技伴 | 2022-1-5 10:05:46 | 显示全部楼层
大佬好快鸭
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90branch | 2022-1-5 10:05:58 | 显示全部楼层
话说mit那个高温超导线材,是不是可以用来改所有磁约束的设计?
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Leo962 | 2022-1-5 10:06:47 | 显示全部楼层
是的可以的
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Devil灬半惜 | 2022-1-5 10:07:00 | 显示全部楼层
昨天比较激动
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这么多新开始的投资, 是不是说明业内看到曙光路?
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长春长在 | 2022-1-5 10:08:23 | 显示全部楼层
是的,但是需要不差钱而且眼光很超前
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霸王杰哥 | 2022-1-5 10:08:37 | 显示全部楼层
这个放电好美
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