麻省理工学院 PSFC 设计了可缓解等离子体破裂的托卡马克装置

Bridget Paulus 2016年 10月 17日

若能开发出一种可控核聚变发生装置,则可以为地球提供几乎无限的清洁能源。工程师们从 20 世纪 50 年代便开始了热核聚变的研究,时至今日他们仍在努力将这一目标变成现实。其中一种方法是使用名为托卡马克的磁约束装置。让我们一起了解一下,为何麻省理工学院(MIT)等离子体科学与聚变中心(Plasma Science Fusion Center,简称 PSFC)的工程师们会将目光转向借助仿真来解决托卡马克装置设计中的关键问题:等离子体破裂引起的不稳定性。

将等离子体约束在托卡马克装置内

正如在之前发布的博客文章中所讨论的那样,托卡马克是一种可以产生热核聚变能量的实验装置。托卡马克装置可将氢燃料加热至 150,000,000°C 以上,迫使电子从原子核中分离,从而产生等离子体。磁场的作用是将等离子体限制在真空容器中,并使热等离子体远离容器壁,同时强度更高的磁场还可以提升等离子体的性能。

图像展示了从托卡马克装置窗口中观察到的等离子体。
从托卡马克装置的窗口中观察到的等离子体。图像由 Bobmumgaard 自行拍摄。已获 CC BY-SA 4.0 许可,通过 Wikimedia Commons 共享。

麻省理工学院 PSFC 的研究人员们之所以将强磁场视为核聚变的关键性因素之一,是因为磁场会影响等离子体性能。由于核聚变功率与磁场强度的四次方呈正比,所以磁场强度的任意微小增加都会极大地增强装置的功率,并更好地约束等离子体。

PSFC 的先进偏滤器实验方案

高级偏滤器实验(Advanced Divertor Experiment,简称 ADX)方案是由 PSFC 及其合作者提出的,旨在开发一种可以在强磁场下工作的紧凑型托卡马克装置。该托卡马克装置具有与典型反应堆一样的密度、热通量和温度,但仅使用短周期等离子体放电。使 ADX 托卡马克装置区别于其他同类装置的关键创新点在于,该装置使用的是由五个轴对称的壳体组成的模块化真空容器,而不是单一的缸。随着研究的进展,工程师们也许会获得新的发现,这种分离的壳体结构使得工程师可以对装置的某一部分(例如偏滤器)进行修改,体现出巨大的优势。

先进偏滤器实验(ADX)托卡马克设计方案提议。
ADX 托卡马克设计方案提议。

托卡马克装置面临的一个主要挑战是处理由等离子体释放的高热量和颗粒。这些通量可由偏滤器进行处理,通过 ADX,可对多种不同偏滤器设计进行测试,并基于测量数据来评估不同设计的性能表现。

托卡马克装置面临的另一项挑战是等离子体破裂现象。在正常操作过程中,等离子体会携带巨大的电流。例如在 ADX 中,等离子体携带的电流为 2 兆安。在破裂过程中,当等离子体离开平衡位置时,其平衡状态被打破,随后在很短的时间(1 毫秒)内释放所有电流。这种由等离子体移动导致电流释放的破裂类型被称为垂直移动现象(vertical displacement event,简称 VDE)。

在 VDE 中,等离子体的变化会引起磁场的快速变化,进而会驱动周围导电结构(例如真空容器)中产生涡电流。当这些涡电流穿越托卡马克装置中的径向磁场和环向磁场时,会产生巨大的洛伦兹力,这就要求装置的结构必须要有能力承受住这巨大的作用力。

图像展示了 PSFC 的真空容器设计。
仿真显示了真空容器壁中的涡电流。

左图:PSFC 的真空容器设计。右图:真空容器壁内的涡电流。

VDE 的存在,使等离子体可以移动至容器壁附近,这种接近导致等离子体破裂的过程中会在容器壁上产生较大负载。基于这一点,PSFC 的工程师们将 VDE 作为一项测试条件,以检测他们的容器是否支持 ADX 操作。

模拟托卡马克真空容器中的 VDE

为了减少涡电流,PSFC 的研究人员选用了 Inconel 625 作为容器的制作材料,这是由于 Inconel 625 是具有高电阻率和高强度。这种镍基合金的高电阻率有助于降低容器中涡电流的大小。研究团队在用数值模拟对他们的初步设计进行测试时发现,容器内具有较大的应力和位移,如下图所示。

真空容器的结构模型。
仿真显示了垂直移动现象(VDE)过程中的应力和位移。
PSFC 的真空容器结构模型,紫色边界表示固定的部位。仿真显示了 VDE 过程中的应力(a)和位移(b)。

随后,工程师们在容器边界上添加了一个固定块。这一操作稳定了真空容器,并大幅降低了应力和壁的位移。安装支撑块后的仿真结果表明容器可以正确处理 ADX 中的等离子体破裂现象。

添加了附加支撑块的真空容器结构模型。
仿真显示了 VDE 过程中优化模型中的应力和位移。
安装了另一个支撑块后的 PSFC 真空容器结构模型。仿真显示了 VDE 过程中,优化模型中的应力(a)和位移(b)。

借助 COMSOL Multiphysics® 设计强大的核聚变装置

对于核聚变装置的设计来说,仿真可以作为平衡效率与精度的强大工具。PSFC 的研究团队证明了 COMSOL Multiphysics® 可对托卡马克设计中的磁场提供可靠的预测结果,仿真结果与记录数据完美匹配。平台灵活性也使工程师们可以轻易地从一种物理场转过渡到另一种,从而在不同研究中无缝切换。

借助他们的仿真结果,PSFC 的工程师们可以确保他们的真容容器一旦投产,将会在 ADX 中发挥良好性能。这类进展为核聚变提供了新的潜能,同时也使实现核聚变能应用的目标更进了一步。

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