磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展 - 副本

第29卷 第7期2010年7月

中国材料进展

MATERIALSCHINA

Vol 29 No 7

Jul 2010

磁约束核聚变托卡马克等离子体

与壁相互作用研究进展

吕广宏,罗广南,李建刚

1

2

2

(1 北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191)(2 中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥230031)

摘 要:核聚变能是潜在的清洁安全能源,其最终的实现对中国能源问题的解决尤其重要。磁约

束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题:高参数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用(Plasma WallInteractions,

PWI)过程和机理

PFM)

的深入理解。PWI现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面以外的边界等离子体(又称为刮削层,Scrapped OffLayer,SOL)和直接接触SOL的面对等离子体材料(Plasma FacingMaterials,区域内。因此,

PWI问题直接决定了聚变的装置运行安全性、壁材料部件研发进程和未来壁的使用

寿命。弄清PWI的各种物理过程和机理并施以有效的控制,是未来核聚变能实现的重要环节之一。

吕广宏

对PWI国内外研究现状进行了详细的总结评述,并阐述了PWI的未来发展趋势和亟待解决的问题。

关键词:磁约束核聚变;托卡马克;等离子体与壁相互作用

1674-3962(2010)07-0042-07

中图分类号:O4-1 文献标识码:A 文章编号:

ResearchProgressonPlasma WallInteractionsinaMagneticConfinementTokamak

L Guanghong,LUOGuangnan,

1

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LIJiangang

2

(1 DepartmentofPhysicsandNuclearEnergyEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China)

(2 InstituteofPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China)

Abstrac:tFusionenergyisapotentialcleanandsafeenergyresource,anditsrealizationwillplayakeyroleontheen

ergyresourcerequirementinChina.Atpresent,themagneticconfinementTokamakisconsideredasthemostpromising

methodtorealizethecontrolledthermonuclearfusion.However,twobottleneckproblemsexistforTokamak.Oneishowtoproducethehigh parametersteady stateplasma,andtheotherishowtochoosethekeymaterialsinTokamakaswellasthefuturereactor.UnderstandingofprocessandmechanismforPlasmaWallInteraction(PWI)isgenerallythoughtasanecessarywaytosolvethematerialproblem.PWIisalsoregardedasoneofthekeyissuesforthesuccessofInternationalThermonuclearExperimentalReactor(ITER),becauseitdirectlydeterminessafetyoftheITERoperation,R&Dprocessofwallmaterials,andthelifecycleoffuturewallinITER.Inthispaper,wereviewtherecentprogressinPWI,andfurtherelucidateitsdevelopmentandthekeyproblemswehavetofaceinthefuture.Keywords:magneticconfinementnuclearfusion;tokamak;plasma wallinteraction

1 前 言

随着化石能源的枯竭,人类面临着严重的能源危机。核聚变能是潜在的清洁安全能源,其燃料氘大量存

在于海水之中,几乎取之不尽用之不竭。因此,核聚变能被认为是人类能源问题的终极解决方式。核聚变能的

最终实现对中国能源问题的解决尤其重要。因为库仑排斥作用使核聚变反应非常困难,使用强磁场约束等离子体并加热至极端高温的 托卡马克 方式是目前最有可能实现受控热核聚变的方法,而可能实现长脉冲(稳态)高参数运行的全超导磁约束托卡马克则是目前最有发展前途的热核聚变装置。目前,在国际上两个大型磁约束聚变装置TFTR和JET中,人类已成功实现了11收稿日期:2009-11-09

(2009GB106000);国家自然科学基金资助项目(50871009)

基金项目:国际热核聚变实验堆计划(ITER)专项资助项目

,19,,

罗斯、日本、韩国、印度和中国七方在巴黎正式签署协议,启动全超导磁约束国际热核实验堆(InternationalThermonuclearExpermientalReactor,

ITER)建设

[1]

击以及之后的氢/氦(H/He)的扩散和滞留,加上高能聚变中子辐照,不仅损伤PFM、影响PFM的结构和性能、缩短其使用寿命和带来装置安全问题,而且产生的杂质和灰尘进入边界甚至芯部等离子体,降低了等离子体品质并增加了等离子体稳定控制的难度。而灰尘的化学活性、活化放射性和放射性氚滞留等因素则带来了一系列的安全问题。高速灰尘对PFM尤其是诊断用第一镜的损伤也将成为一个严重问题。

ITER下属的国际托卡马克物理活动组织(ITPA)的刮削层/偏滤器(SOL/Div)工作组专门负责甄别ITER最关心的PWI问题并协调国际范围的联合攻关。2008年底,

ITER国际组和SOL/Div工作组联合提出了ITER的PWI/边界物理紧急研究计划。PWI问题直接决定了ITER的装置运行安全性、壁材料部件研发进程和未来壁的使用寿命。研究结果对未来聚变示范电站(DEMO)和商业堆的设计、制造和运行将产生重要影响。本文对PWI国内外研究情况进行了详细的总结和评述。

,项

目耗资120亿美元,将于2018年在法国Cadarache建成,预计可以产生500MW的能量。ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一项国际大科学工程项目,是人类开发洁净新能源的一次大胆尝试。这一计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果,是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步。ITER计划是中国有史以来参加的规模最大的国际科技合作项目。

在国内,中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所(以下简称等离子体所)在20世纪90年代,建成了HT-7超导托卡马克,是世界上少数几个超导装置之一。2006年,等离子体所又独立建成了世界上第一个具有非圆截面的全超导托卡马克(ExpermientalAdvancedSuperconductingTokamak,

EAST)

[2]

,是当今

世界上最先进的磁约束热核聚变研究装置之一。目前,EAST正在开展与ITER相关的各项工程和物理研究,如长脉冲(稳态)等离子体的稳定控制、等离子体驱动和加热、偏滤器物理、先进壁材料和部件研发及其与托卡马克等离子体相互作用等。核工业西南物理研究院(以下简称西物院)是国内最早开展核聚变研究的研究单位,在高温等离子体物理研究方面取得了令人瞩目的成绩。最近其建成的HL-2A装置已经成功地进行了偏滤器位形放电并获得了高约束等离子体。目前,西物院正在全面展开对HL-2A的升级改造工作。

磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题:高参数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中,关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用(Plasma WallInteractions,PWI)过程和机理的深入理解。PWI现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面(LastClosedFluxSurface,LCFS)以外的边界等离子体(又称为刮削层,Scrapped OffLayer,SOL)和直接接触SOL的面对等离子体材料(Plasma FacingMaterials,PFM)区域内。因此,弄清SOL中的各种物理过程和机理并施以有效的控制,是未来在ITER上实现高参数、长脉冲运行的重要环节之一。在SOL区,大量来自芯部等离子体的稳态能流和粒子流经过复杂的SOL层流输运到PFM上。同时,由于边界局域模和湍流 …… 此处隐藏：3805字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……