星環(huán)聚能已完成第一臺聚變裝置建設(shè)并獲得第一炮等離子體

近日,SUNIST-2球形托卡馬克建成并開展了首輪運行,獲得第一等離子體。

SUNIST-2位于星環(huán)聚能在陜西省西安市高陵區(qū)的零號實驗場地,是我國目前磁場最強、等離子體性能最高的球形托卡馬克(如下圖),設(shè)計參數(shù)為大半徑0.53米,小半徑0.33米,磁場1.0特斯拉。

圖1 SUNIST-2聚變實驗裝置

SUNIST-2由清華大學(xué)設(shè)計、星環(huán)聚能和清華大學(xué)聯(lián)合建設(shè),于近日成功運行,并獲得100千安培等離子體電流,順利達到初期目標。典型放電波形(左)和等離子體圖像(右)如下圖。之后星環(huán)聚能將基于SUNIST-2從原理上驗證磁重聯(lián)加熱技術(shù)和多沖程運行方式,為建設(shè)下一代聚變級技術(shù)驗證裝置CTRFR-1作準備。

圖2典型放電波形(左)和等離子體圖像(右)

以全人類數(shù)十年磁約束核聚變研究為基礎(chǔ),在高性能磁約束位形、高臨界電流密度和臨界磁場的高溫超導(dǎo)材料、高熱流偏濾器和人工智能等技術(shù)的推動下,各種聚變紀錄不斷打破。各國也從政策和立法等方面為聚變能的到來作了準備。英國、美國的核能監(jiān)管機構(gòu)均計劃以遠比現(xiàn)有核電站寬松的法規(guī)監(jiān)管聚變電站,為聚變能的商業(yè)開發(fā)注入了定心丸。無限、安全、零碳的可控聚變能正在以前所未有的速度走近人類,一個嶄新的數(shù)十萬億元級產(chǎn)業(yè)即將落地。

受益于以上進展,國內(nèi)外眾多企業(yè)采用各種新穎的路線投身聚變能開發(fā),希望推動聚變能更快地商用。

比如,英國Tokamak Energy和我國新奧科技采用強磁場球形托卡馬克分別用于氘氚聚變和氫硼聚變;美國Commonwealth Fusion Systems和我國能量奇點則采用磁場提高到極限但體積顯著縮小的托卡馬克;美國Helion Energy使用兩個等離子體環(huán)重復(fù)高速對撞來產(chǎn)生聚變能,并宣布將于2028年對外供電。

星環(huán)聚能的聚變能開發(fā)路線基于高約束性能的高溫超導(dǎo)強磁場球形托卡馬克,使用磁重聯(lián)高效地加熱等離子體至發(fā)生聚變反應(yīng),并以類似內(nèi)燃機的方式多沖程運行,持續(xù)輸出聚變能。這條獨特的技術(shù)路線以大量實驗反復(fù)驗證的球形托卡馬克為基礎(chǔ),但省略了大功率射頻波和中性束注入等復(fù)雜而昂貴的系統(tǒng),避開了電流驅(qū)動的難題,同時還提高了氚增殖率。這些設(shè)計極大地簡化了聚變堆的結(jié)構(gòu),顯著提升聚變堆的經(jīng)濟性,降低運營聚變電站的復(fù)雜度和難度,具有非常突出的商用優(yōu)勢。

圖3原理演示視頻截圖

星環(huán)聚能采用的聚變能開發(fā)路線得到了業(yè)界的認可,也獲得了國內(nèi)多家知名頭部投資機構(gòu)的支持。

2022年中完成天使輪融資后,星環(huán)聚能迅速擴充團隊、建設(shè)場地,和清華大學(xué)工程物理系、中科院等離子體物理研究所一起快速、精準地完成了SUNIST-2主機的裝配,并形成了超高真空密封、大電流接頭超低電阻檢測、位置和振動測量和分析等一系列新方法或?qū)＠?/p>

同時,公司自主設(shè)計并開發(fā)了環(huán)向、極向和歐姆磁體線圈配套的模塊式秒級脈沖功率電源。這些電源使用大電流IGBT和超級電容,單向輸出電流可達110千安,雙向輸出電流可達±22千安,響應(yīng)速度可達0.1毫秒,多項指標達到國際先進水平。SUNIST-2的主機、配套電源以及真空等設(shè)備都由自主開發(fā)的基于微服務(wù)和網(wǎng)頁的控制系統(tǒng)集中監(jiān)測和控制。此外,還建設(shè)了磁、干涉、輻射等基礎(chǔ)等離子體診斷,開發(fā)了基本的等離子體放電集成模擬代碼用于預(yù)測和指導(dǎo)運行。

圖4部分磁體電源

裝置建設(shè)過程中,星環(huán)聚能完善了由聚變科學(xué)、工程技術(shù)、基礎(chǔ)工藝、支持等部門組成的復(fù)合型團隊,逐漸形成了“敢于嘗試,共同承擔”的企業(yè)文化。團隊成員大膽創(chuàng)新,遇到挫折或困難,大家“不甩鍋也不背鍋”,一起在現(xiàn)場分析原因、出謀劃策。各類問題均在此良好的氛圍中快速得以解決。

圖5現(xiàn)場工作照

隨著聚變實驗裝置的建設(shè),星環(huán)聚能以西安為中心的上下游供應(yīng)商體系也初步形成,涉及機械、儀器儀表、電力電子、信息技術(shù)等多個行業(yè),促進了當?shù)鼐圩兿嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

聚變實驗裝置的成功運行只是朝著公司目標——“快速經(jīng)濟地實現(xiàn)聚變能”——前進道路上的一小步。星環(huán)聚能將繼續(xù)秉持“行勝于言,開拓創(chuàng)新”的理念,堅持全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控的發(fā)展思路,砥礪前行,不斷突破工程極限,開發(fā)終極能源。

來源：中國網(wǎng)