作者:段歆涔 来源:中国科学报 发布时间:2013-10-24 10:08:28
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研究人员建议ITER设计应更耐高温更稳定

研究人员建议,ITER的关键部分——被称为偏滤器的排气系统必须能经得起高温,应用钨制材料取代原先的涂碳层。图片来源:ITER
 
国际热核实验反应堆(ITER)聚变反应堆项目的科学顾问近日建议,更改几个可能增加技术风险的关键设计。这一建议由ITER科学和技术咨询委员会(STAC)提出,正在等待ITER委员会的批准。如果该建议得到批准(正如人们所预期的那样),“之后发生惊喜的几率将会减小,” ITER建模部门主管Alberto Loarte说,“这次冒险将会取得成功。”
 
作为一个国际科研合作项目,ITER建造于法国,旨在表明核聚变是可控的,能够用于生产能量。但是实现这一目标包括一系列技术难题,例如加热氢气至1.5亿℃以便氢原子核有足够的驱动力融合在一起。为了做到这一点,研究人员正在建设一个巨大的名叫托卡马克装置(一种受控热核反应装置)的圆环形容器,以限制电离气体或等离子体使用强磁场。ITER的目标是利用等离子体产生500兆瓦(MW)的热量,而加热等离子体只需要其十分之一的热量——50MW。这种乘数效应是惊人的。
 
STAC会议上决定的针对ITER项目最显著的变化是基于托卡马克装置的结构变化——被称作偏滤器。它的主要功能是移除氦气(是聚变反应的“废气”)。偏滤器是整个装置中超热等离子体唯一能接触到的固体表面,因此它必须能吸收大量的热,差不多每平方米10MW。
 
现有的计划要求为ITER的首个偏滤器配备外层碳装置。这出于一种安全考虑:在托卡马克装置内部,碳是行之有效的;碳能禁得起高温;如果发生爆炸进入等离子体,装置内温度不会受到大的影响。然而,碳的真正问题在于,它很容易和氢气发生反应。在ITER运转的早期,这并不是一个大问题,当时研究人员计划用机器中的氢气或氦气来摸清ITER的工作原理。在之后的阶段,当研究人员准备采用真正的聚变燃料(高度活跃的氢的同位素重氢和超重氢的混合物)时,涂碳层变成了一个大问题。超重氢具有放射性,因此需要小心控制。从安置角度来看,核监管机构永远不会考虑一个能够吸收超重氢的偏滤器材料。
 
为解决这个问题,规划人员提议先使用有涂碳层偏滤器的ITER,之后再转为用钨制作的偏滤器。钨是熔点最高的金属:3422℃。在正常、稳定操作ITER的情况下,钨能耐住高温。但是任何出乎意料的爆炸而产生的热量可能熔化偏滤器,而钨不像碳(碳能立即破坏等离子体,停止熔化)。因此当使用钨制偏滤器时,研究人员在操作反应堆时需要更加小心谨慎,避免极限操作从而使等离子体变得不稳定。
 
尽管钨存在一些缺点,STAC仍然建议ITER在最开始使用以钨为材料的偏滤器。STAC主席兼马德里市西班牙国家聚变研究室负责人Joaquín Sánchez说:“这是一个艰难的决定。”这个决定是经过其他托卡马克实验室多年的试验之后才作出的,尤其是英国Culham的联合欧洲环(JET),它在规模与设计上与ITER最为相近。几年之前,JET研究者对其进行了改装,将偏滤器改为钨偏滤器并以铍为材料制作内层(与ITER的设计相同)。经过一年的测试,他们确认JET可以良好地运转,不会为ITER带来任何麻烦。
 
尽管一些聚变研究者认为,如果一开始在ITER上使用已经成熟的技术比如碳偏滤器会更加安全,除此之外,使用成熟的技术还可以让研究者进行一些极限操作以测试ITER的最大工作效率。但是,使用钨偏滤器也有好处。改变偏滤器的材料是一项复杂的工作,需要耗费数月之久。进一步说,一旦以重氢—超重氢为燃料启动,ITER容器的内部将会变得具有放射性,要再想改变内部组件会变得更加困难。
 
Sánchez说:“如果我们使用钨偏滤器,就可以节省改造的开支。我们知道钨偏滤器更有难度,但当容器内部出现问题需要派出人手进行修复时,如果容器内部不具有放射性,我们便可以更早地获知情况。”
 
另外一项设计的改变涉及到将2个独立的电磁圈插入反应容器的内部,用来对等离子体进行微调。ITER主要控制等离子体的磁铁在容器的外部,并且反应比较迟钝。大约5年以前,研究者重点强调了运营者在确保等离子体处于稳定垂直状态方面所遇到的困难,并提出了在容器内部加装一些电磁圈的提议。
 
为了更进一步应对垂直稳定问题,研究者建议在容器内部加装另一套线圈,以应对因聚变等离子体过热导致的异常问题,该问题也被称为边缘局部模式(ELM)。当等离子体聚变所产生的能量冲出边缘时,ELM便产生了,这种难以预计的问题可能会对内层或者偏滤器造成损害。第二套线圈会构成一个可以把等离子表层变宽的磁场,能确保能量以一种稳定的速率泄漏而不是难以预计地突然爆发。
 
容器内部的所有物体都处在极度高温、放射性以及磁力的作用之中,因此研究者必须说服STAC,使其相信这两套线圈具有足够的弹性,可以在极端条件下正常运转。
 
Loarte说:“由于安装技术问题,STAC和ITER内部对新设计还有些抵触情绪。”但在世界其他实验室的成功测试使研究者确信,新设计可以胜任。Loarte说:“结果令人非常满意。”
 
STAC还对ITER部件的运送情况感到忧虑。根据原定计划,所有与加热系统、仪表器材、ELM问题缓解装置有关的部件都应于2020年,也就是ITER建成之时到位。但是延迟意味着一些部件将不能如期抵达。
 
Loarte说:“我们需要根据部件的抵达时间重新拟定整体规划,在此之前我们的规划与部件抵达时间不一致,这招致了一些批评。现在我们必须着手处理组织方面的问题,这并不简单。”(段歆涔) (原标题《ITER设计须大调》)
 
《中国科学报》 (2013-10-24 第3版 国际)
 
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