俄罗斯的中型托卡马克装置:T-15MD

学术   2024-10-12 08:03   江苏  

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2021年5月,俄罗斯联邦政府宣布向库尔恰托夫研究所(National Research Center Kurchatov Institute,NRCKI)拨款49亿卢布(约合6,660万美元),用于T-15MD托卡马克热核装置的技术改造。按照计划,改造工作将在2024年完成。

一、装置概览

T-15MD(Tokamak-15 Modified Divertor),即T-15托卡马克装置的升级版。T-15托卡马克是全球首座使用超导磁体来控制等离子体的原型聚变堆。T-15MD对原装置的所有主要部件都进行了现代化改造,从辅助等离子体加热和电流驱动系统到新的非超导银铜磁体系统。T-15MD计划实验ITER和未来聚变反应堆的最佳的运行参数,并探索混合聚变/裂变模型的可行性,同时还可以进一步开发和研究新型聚变等离子体技术,如液态锂第一壁和偏滤器组件以及无感电流驱动等等。

T-15MD主体部分由电磁系统、真空室和工程系统三个部分组成。其中:电磁系统包括由16个D形线圈组成的具有拱形结构的环形绕组、极向磁体系统和支撑装置。真空室呈椭球形,内部设有16个诊断端口和136个用于不同研究目的的端口。工程系统包括真空泵系统、水冷系统、能量供应系统、信息与控制系统,为电磁系统和真空室供应电能、提供冷却。

库尔恰托夫研究所最早于1943年3月在莫斯科成立,前身是专业从事核武器开发的苏联科学院第2研究院,现隶属于俄罗斯联邦政府,是俄罗斯在高能物理和核物理领域最重要、最久负盛名的研发机构。除了热核聚变领域的研究,库尔恰托夫研究所在国防安全、科研等多个领域也成就斐然,开发了苏联第一个回旋加速器、第一颗原子弹、欧洲第一座核反应堆、世界第一颗热核炸弹、第一座商业核电站、第一艘核潜艇和核动力破冰船等等。1960年,苏联“原子弹之父”库尔恰托夫(曾担任实验室第一任主任)逝世,“苏联科学院第2研究院”正式更名为“库尔恰科夫研究所”。

二、预期目标

俄罗斯计划通过T-15MD的研究达到以下5个目标:
-获得支持ITER项目和聚变中子源装置(俄罗斯的聚变-裂变混合堆研究计划)设计的物理和技术数据;
-实现高比压值(等离子体压强与磁压强之比,即β值)以降低聚变堆的成本;
-研究在完全无感电流环境中稳态放电获得高比压值(β值)和高等离子体密度的可能性;
-实现对等离子体的加热和约束,在线控制高温等离子体的稳定性和平衡性;
-研究等离子体与石墨、钨和锂等不同材料的相互作用;

三、突出特点

-紧凑的高功率设计:高功率和紧凑尺寸的结合,使得能够在较小的体积内实现高参数的等离子体实验,有助于提高实验的效率和经济性。

-强大的辅助加热和电流驱动系统:配备中性束注入(NBI)、电子回旋共振加热(ECRH)、低混合波加热(LHCD)和离子回旋共振加热(ICRH),总输入功率达到15-20MW

-先进的控制系统:使用集成化信息管理系统操作,帮助实现从实验准备到执行全阶段的自动化控制。

-全面的诊断设备:配置了用于测量离子温度的电荷交换复合光谱学(CXRS)和用于测量电子温度的汤姆森散射方法。

四、核心参数

T-15MD装置的核心参数为:等离子体大半径1.48m、小半径0.67m,环向等离子体磁场最高2T,等离子体电流2MA。

其前身T-15装置核心参数为:等离子体大半径2.43m、小半径0.78m、环向等离子体磁场最高3.6T、等离子体电流1MA。

五、发展历程

1983年,T-15启动建造工作,该装置是全球首个使用Nb3Sn超导体装置。
1988年,T-15投入运行,同年产生第一个等离子体,演示了磁场的稳态运行。
1995年,受经费不足影响,T-15停止运行。
2011年,T-15MD设计工作完成。
2015年,T-15MD磁体系统和真空容器的生产、初步组装工作完成。
2017年,T-15拆解工作完成。
2018年,电磁系统开始安装。
2019年8月,磁体线圈组装工作完成。
2020年,T-15MD正式建成。
2021年5月,T-15MD托卡马克装置物理启动。
2023年4月,首次产生稳定等离子体。
2023年12月,T-15MD等离子体温度成功突破4,000万摄氏度。

六、部分供应商

NPO GKMP Ltd:GKMP是俄罗斯最大的工业和真空测试和热硬件制造商,同时也是全球热核聚变、低温装置和热真空测试设施的高科技硬件制造的头部企业。T-15MD的磁体系统与真空容器的预组装工作由GKMP承担。
Efremov Institute:即D. V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus(NIIEFA),是俄罗斯国家原子能公司(Rosatom)旗下的一个研究机构。NIIEFA在电磁装置、激光技术、真空技术设备、超导磁体系统、液态金属MHD发电机、高功率电气开关设备等领域有着深厚的技术积累。NIIEFA负责T-15MD装置真空容器的制造工作。除本国项目外,研究所还为ITER磁体系统、真空容器和偏滤器系统的设计和结构分析做出了贡献,并成功制造全尺寸偏滤器Dome原型件。


参考资料:

  • https://zh-cn.topwar.ru/183141-tokamak-t-15md-novye-vozmozhnosti-dlja-rossijskoj-i-mirovoj-nauki.html

  • https://www.iter.org/newsline/-/3622

  • https://www.iter.org/newsline/152/477

  • http://nrcki.ru/


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