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國內高溫超導磁體和重復重聯方案工程驗證取得顯著進展

2024-02-06科技

星環聚能作為致力於融合能商業套用及技術開發的創新型企業,近期在 高溫超導磁體、重復重聯執行方式和非感應啟動等關鍵融合工程和物理領域取得了一系列顯著進展 。這些成果不僅為融合裝置的高功率加熱和穩定執行提供了堅實支撐,也標誌著星環聚能在實作「快速經濟地實作融合能」的宏偉目標上又邁出了堅實的一步。

相比於簡單的圓截面磁體,D形磁體可更好地匹配高效能電漿的形狀,是未來融合堆的基本要求。星環聚能與清華大學合作,針對未來融合堆的需求,采用上海超導科技股份有限公司的高溫超導帶材,星環聚能 成功研制了D形高溫超導磁體原理樣機,磁體內最高場強達18T,為目前國內公開報道D形磁體的最高場強 。18T場強能夠完全滿足球形托卡馬克裝置達到融合條件時的環向場強要求,該磁體的成功執行為公司下一代裝置的設計奠定了堅實的基礎。磁體的成功代表著星環聚能高溫超導團隊在磁體技術上的快速進步,在短短半年內,完成了原理設計、工程制造與整體測試,再次體現了公司團隊高效的研發和工程能力。後續公司將繼續最佳化磁體設計和執行方案,繼續沖擊25T場強的設計目標。

星環聚能還 實作了國際第一個重復重聯技術方案的穩定執行, 在2023年11月,公司宣布實作國內首次透過主動雙環磁重聯加熱的啟動方式;在此基礎之上,公司本次實作了在一次放電周期中,連續兩次透過重復重聯的方式加熱電漿啟動。磁重聯加熱和重復重聯的實作,這標誌著 公司與清華大學聯合建設的SUNIST-2裝置的核心執行方案已經在星環聚能徹底工程化實作 不論是主動磁重聯加熱還是重復重聯執行均為國內首次 ,同時也為下一代達到融合條件的CTRFR-1號裝置的成功執行打下了堅實的基礎。

此外, 公司自主研制的局部螺旋度註入器,憑借其緊湊的結構和優越的效能,使初始電漿的電流和磁能大幅提升。 初始電漿電流和磁能的提高,將極大的提升磁重聯加熱的效率,進而將公司重復重聯方案的加熱效率成倍提升,成為下一代裝置啟動的關鍵輔助裝置。

至此, 下一代融合級裝置CTRFR-1的前期預研工程準備已經基本完成 在2023年,公司依次在工程上實作了電漿雙環啟動、雙環電漿磁重聯加熱、重復重聯執行以及未來裝置所需的D形環向場線圈 ,公司已經開始進行CTRFR-1裝置的物理仿真,平衡計算,機械結構設計等工作。未來,星環聚能將繼續秉持」敢於嘗試,共同承擔「的工作作風和」行勝於言,開拓創新「的企業文化,在工程研發,實驗探索和企業關懷中不斷錘煉和增強公司團隊的凝聚力和戰鬥力。

附錄:本次重大工程進展的具體技術描述

1. D形高溫超導強場磁體研制成功並透過測試

提高磁場是快速經濟地實作融合能的關鍵手段之一。近期,星環聚能和清華大學合作,面向未來融合堆的需求,成功研制了D形高溫超導磁體原理樣機。在首次低溫通流測試中,中心區域的場強測量值達13.5 T,磁體內最高場強達18 T,滿足了星環聚能技術路線對磁體的基本要求。該磁體的成功代表著星環聚能團隊在高溫超導磁體技術上的快速突進,再次體現了星環聚能團隊強大的研發和工程能力。

該D形磁體由8個無絕緣雙餅線圈組成,采用了預應力加強結構和創新裝配工藝,電流工作點和電磁應力的設計值均逼近工程極限。團隊依次完成了帶材檢測、線圈繞制、磁體組裝和低溫測試工作,逐漸掌握了未來融合堆高溫超導磁體研制的核心技術,制成了領先的全高溫超導D形磁體。(感謝先進能源科學與技術廣東省實驗室在磁體測試方面給予的幫助)

接下來,星環聚能團隊將針對該磁體進行更多的針對性測試,持續研發多種特殊用途的高溫超導磁體,推進第一餅融合級球形托卡馬克環向磁體的工程進展。

2. 重復重聯技術方案實驗驗證

磁重聯可以高效加熱電漿,為持續獲得融合能,星環聚能透過恰當設計的電源驅動融合裝置以類似於多沖程內燃機的模式運轉,不斷地重復磁重聯,周期性地輸出融合能。

2024年1月,基於自研的全控磁體電源,結合自研的預游離微波源,透過對裝置進氣,壁面返流,感應渦流等的精細調節,星環聚能和清華大學團隊首次驗證了重復重聯的工程可行性。

未來,星環聚能團隊將持續升級磁體電源的儲能規模和電流變化調節能力,配合多種非感應啟動方式和超高速進氣加料手段,最佳化重聯前後電漿位形控制,在一次放電過程內,實作更高效能和更多周期的重復重聯。

3. 高效電漿啟動

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加熱的電漿效能,星環聚能和清華大學團隊研制了一組結構緊湊、效能優越的局部螺旋度註入器。利用安裝於裝置底部的電漿槍,配合位於裝置頂部的引出電極,透過對進氣量,引出電壓和磁力線形態的精細調節,星環聚能團隊透過局部螺旋度註入成功以非感應的方式啟動起近10 kA的電漿電流,實作了10倍的電流倍增。