星環(huán)聚能高溫超導(dǎo)磁體和重復(fù)重聯(lián)方案工程驗(yàn)證取得顯著進(jìn)展

作為我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展的重要方向，核聚變技術(shù)影響著我國(guó)的未來(lái)能源安全與可持續(xù)發(fā)展。星環(huán)聚能作為致力于聚變能商業(yè)應(yīng)用及技術(shù)開發(fā)的創(chuàng)新型企業(yè)，近期在高溫超導(dǎo)磁體、重復(fù)重聯(lián)運(yùn)行方式和非感應(yīng)啟動(dòng)等關(guān)鍵聚變工程和物理領(lǐng)域取得了一系列顯著進(jìn)展。這些成果不僅為聚變裝置的高功率加熱和穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)支撐，也標(biāo)志著星環(huán)聚能在實(shí)現(xiàn)“快速經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)聚變能”的宏偉目標(biāo)上又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

相比于簡(jiǎn)單的圓截面磁體，D形磁體可更好地匹配高性能等離子體的形狀，是未來(lái)聚變堆的基本要求。星環(huán)聚能與清華大學(xué)合作，針對(duì)未來(lái)聚變堆的需求，采用上海超導(dǎo)科技股份有限公司的高溫超導(dǎo)帶材，星環(huán)聚能成功研制了D形高溫超導(dǎo)磁體原理樣機(jī)，磁體內(nèi)最高場(chǎng)強(qiáng)達(dá)18T，為目前國(guó)內(nèi)公開報(bào)道D形磁體的最高場(chǎng)強(qiáng)。18T場(chǎng)強(qiáng)能夠完全滿足球形托卡馬克裝置達(dá)到聚變條件時(shí)的環(huán)向場(chǎng)強(qiáng)要求，該磁體的成功運(yùn)行為公司下一代裝置的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。磁體的成功代表著星環(huán)聚能高溫超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)在磁體技術(shù)上的快速進(jìn)步，在短短半年內(nèi)，完成了原理設(shè)計(jì)、工程制造與整體測(cè)試，再次體現(xiàn)了公司團(tuán)隊(duì)高效的研發(fā)和工程能力。后續(xù)公司將繼續(xù)優(yōu)化磁體設(shè)計(jì)和運(yùn)行方案，繼續(xù)沖擊25T場(chǎng)強(qiáng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

星環(huán)聚能還實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首個(gè)重復(fù)重聯(lián)技術(shù)方案的穩(wěn)定運(yùn)行，在2023年11月，公司宣布實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)首次通過(guò)主動(dòng)雙環(huán)磁重聯(lián)加熱的啟動(dòng)方式；在此基礎(chǔ)之上，公司本次實(shí)現(xiàn)了在一次放電周期中，連續(xù)兩次通過(guò)重復(fù)重聯(lián)的方式加熱等離子體啟動(dòng)。磁重聯(lián)加熱和重復(fù)重聯(lián)的實(shí)現(xiàn)，這標(biāo)志著公司與清華大學(xué)聯(lián)合建設(shè)的SUNIST-2裝置的核心運(yùn)行方案已經(jīng)在星環(huán)聚能徹底工程化實(shí)現(xiàn)，不論是主動(dòng)磁重聯(lián)加熱還是重復(fù)重聯(lián)運(yùn)行均為國(guó)內(nèi)首次，同時(shí)也為下一代達(dá)到聚變條件的CTRFR-1號(hào)裝置的成功運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

此外，公司自主研制的局部螺旋度注入器，憑借其緊湊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性能，使初始等離子體的電流和磁能大幅提升。初始等離子體電流和磁能的提高，將極大的提升磁重聯(lián)加熱的效率，進(jìn)而將公司重復(fù)重聯(lián)方案的加熱效率成倍提升，成為下一代裝置啟動(dòng)的關(guān)鍵輔助裝置。

至此，下一代聚變級(jí)裝置CTRFR-1的前期預(yù)研工程準(zhǔn)備已經(jīng)基本完成，在2023年，公司依次在工程上實(shí)現(xiàn)了等離子體雙環(huán)啟動(dòng)、雙環(huán)等離子體磁重聯(lián)加熱、重復(fù)重聯(lián)運(yùn)行以及未來(lái)裝置所需的D形環(huán)向場(chǎng)線圈，公司已經(jīng)開始進(jìn)行CTRFR-1裝置的物理仿真，平衡計(jì)算，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。未來(lái)，星環(huán)聚能將繼續(xù)秉持”敢于嘗試，共同承擔(dān)“的工作作風(fēng)和”行勝于言，開拓創(chuàng)新“的企業(yè)文化，在工程研發(fā)，實(shí)驗(yàn)探索和企業(yè)關(guān)懷中不斷錘煉和增強(qiáng)公司團(tuán)隊(duì)的凝聚力和戰(zhàn)斗力。

附錄：本次重大工程進(jìn)展的具體技術(shù)描述

1. D形高溫超導(dǎo)強(qiáng)場(chǎng)磁體研制成功并通過(guò)測(cè)試

提高磁場(chǎng)是快速經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)聚變能的關(guān)鍵手段之一。近期，星環(huán)聚能和清華大學(xué)合作，面向未來(lái)聚變堆的需求，成功研制了D形高溫超導(dǎo)磁體原理樣機(jī)。在首次低溫通流測(cè)試中，中心區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量值達(dá)13.5 T，磁體內(nèi)最高場(chǎng)強(qiáng)達(dá)18 T，滿足了星環(huán)聚能技術(shù)路線對(duì)磁體的基本要求。該磁體的成功代表著星環(huán)聚能團(tuán)隊(duì)在高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)上的快速突進(jìn)，再次體現(xiàn)了星環(huán)聚能團(tuán)隊(duì)強(qiáng)大的研發(fā)和工程能力。

該D形磁體由8個(gè)無(wú)絕緣雙餅線圈組成，采用了預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新裝配工藝，電流工作點(diǎn)和電磁應(yīng)力的設(shè)計(jì)值均逼近工程極限。團(tuán)隊(duì)依次完成了帶材檢測(cè)、線圈繞制、磁體組裝和低溫測(cè)試工作，逐漸掌握了未來(lái)聚變堆高溫超導(dǎo)磁體研制的核心技術(shù)，制成了領(lǐng)先的全高溫超導(dǎo)D形磁體。（感謝先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室在磁體測(cè)試方面給予的幫助）

接下來(lái)，星環(huán)聚能團(tuán)隊(duì)將針對(duì)該磁體進(jìn)行更多的針對(duì)性測(cè)試，持續(xù)研發(fā)多種特殊用途的高溫超導(dǎo)磁體，推進(jìn)第一餅聚變級(jí)球形托卡馬克環(huán)向磁體的工程進(jìn)展。

2. 重復(fù)重聯(lián)技術(shù)方案實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

磁重聯(lián)可以高效加熱等離子體，為持續(xù)獲得聚變能，星環(huán)聚能通過(guò)恰當(dāng)設(shè)計(jì)的電源驅(qū)動(dòng)聚變裝置以類似于多沖程內(nèi)燃機(jī)的模式運(yùn)轉(zhuǎn)，不斷地重復(fù)磁重聯(lián)，周期性地輸出聚變能。

2024年1月，基于自研的全控磁體電源，結(jié)合自研的預(yù)電離微波源，通過(guò)對(duì)裝置進(jìn)氣，壁面返流，感應(yīng)渦流等的精細(xì)調(diào)節(jié)，星環(huán)聚能和清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次驗(yàn)證了重復(fù)重聯(lián)的工程可行性。

未來(lái)，星環(huán)聚能團(tuán)隊(duì)將持續(xù)升級(jí)磁體電源的儲(chǔ)能規(guī)模和電流變化調(diào)節(jié)能力，配合多種非感應(yīng)啟動(dòng)方式和超高速進(jìn)氣加料手段，優(yōu)化重聯(lián)前后等離子體位形控制，在一次放電過(guò)程內(nèi)，實(shí)現(xiàn)更高性能和更多周期的重復(fù)重聯(lián)。

3. 高效等離子體啟動(dòng)

為了更有效地利用裝置磁體的能力，提高歐姆放電和磁重聯(lián)加熱的等離子體性能，星環(huán)聚能和清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制了一組結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越的局部螺旋度注入器。利用安裝于裝置底部的等離子體槍，配合位于裝置頂部的引出電極，通過(guò)對(duì)進(jìn)氣量，引出電壓和磁力線形態(tài)的精細(xì)調(diào)節(jié)，星環(huán)聚能團(tuán)隊(duì)通過(guò)局部螺旋度注入成功以非感應(yīng)的方式啟動(dòng)起近10 kA的等離子體電流，實(shí)現(xiàn)了10倍的電流倍增。