首個使用50/50氘氚混合燃料的裝置：美國TFTR

人老顛東 2025-04-30

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20世紀80年代，隨著核聚變研究的逐漸深入，各國紛紛建造了具有代表性的大型托卡馬克裝置。而在這其中，美國TFTR、英國JET和日本JT-60最為突出，并稱為世界三大托卡馬克裝置。前兩者是目前為數(shù)不多的實現(xiàn)氘氚聚變反應的裝置，TFTR也是首個使用50/50氘氚混合燃料的裝置。

一、裝置概覽

TFTR（Tokamak Fusion Test Reactor），即托卡馬克聚變實驗反應堆，是美國普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）建造的一種實驗性磁約束聚變裝置。TFTR旨在研究接近聚變反應堆所需的溫度和密度下的等離子體物理，特別關注氘氚（D-T）等離子體—實現(xiàn)實用聚變能生產(chǎn)的燃料混合物。

TFTR從1982年運行到1997年，造價達到3.14億美元。盡管未能實現(xiàn)科學收支平衡的最終目標，但TFTR在等離子體物理、聚變技術和未來聚變反應堆的發(fā)展方面做出了開創(chuàng)性貢獻。其龐大的體積、先進的加熱系統(tǒng)和精密的診斷設備使其成為美國聚變能源研究計劃的基石，并在其運行期間成為全球托卡馬克研究的領導者。

PPPL成立于1951年，位于美國新澤西，是一家由美國能源部（DOE）委托普林斯頓大學運營管理的國家實驗室，是全美物理科學基礎研究的最大實驗室之一。PPPL具有頂尖的研發(fā)團隊，在磁約束實驗、等離子體理論與計算、等離子體科學與計算等方面處于居于全球領先地位。

二、研究目標

TFTR的研究目標包括：

實現(xiàn)科學收支平衡（Q=1）：TFTR旨在達到聚變反應釋放的能量等于用于加熱和維持等離子體的外部能量供應的臨界點，即科學收支平衡。這是展示聚變作為能源可行性的關鍵一步。
研究氘氚等離子體：與當時大多數(shù)使用氘或氫等離子體運行的托卡馬克不同，TFTR被設計為進行廣泛的50/50 D-T等離子體實驗。這種燃料混合物因其在可實現(xiàn)溫度下具有最高的反應截面而成為聚變的最優(yōu)選擇。TFTR旨在研究D-T等離子體的行為，包括α粒子的約束和加熱效應，這對于未來反應堆中的自持“燃燒等離子體”至關重要。
推進等離子體約束和穩(wěn)定性：TFTR旨在利用磁場改善高溫等離子體的約束，這是托卡馬克設計中的一個關鍵挑戰(zhàn)。它探索了各種約束模式，如增強約束的反磁剪切位形，以減少湍流和能量損失。目標實現(xiàn)更高的“聚變?nèi)朔e”。
聚變技術挑戰(zhàn)研究：除了等離子體物理，TFTR還解決了對聚變反應堆至關重要的工程問題，包括氚處理、面向等離子體的材料、中性束加熱、射頻（RF）加熱和輻射安全。這些研究對于開發(fā)安全高效的聚變電廠所需的技術至關重要。
為未來反應堆提供數(shù)據(jù)：TFTR旨在生成大量數(shù)據(jù)，以指導更大托卡馬克（如JET和ITER）的設計。通過在與反應堆相關的條件下運行，它提供了對等離子體行為、約束擴展和聚變系統(tǒng)集成的見解，為全球聚變研究工作做出了貢獻。TFTR曾首次觀測到α粒子加熱效應及由其驅動的托卡馬克阿爾芬本征模（TAE），為ITER設計提供關鍵數(shù)據(jù)。

三、突出特點

TFTR具有先進的設計和鮮明的工程特點，使其能夠在開展聚變前沿研究。其主要特點包括：

環(huán)形磁場約束系統(tǒng)：TFTR使用由20個銅制環(huán)向場（TF）線圈產(chǎn)生的環(huán)形磁場，每個線圈外徑4.26米，重22680千克。這些線圈產(chǎn)生高達5.2T的磁場，將等離子體約束在環(huán)形形狀中。中央螺線管和極向場線圈創(chuàng)建了一個極向磁場，將磁力線扭曲成螺旋模式以穩(wěn)定等離子體。外部的極向場線圈則塑造和定位等離子體，確保最佳約束。
高功率加熱系統(tǒng)：為了實現(xiàn)聚變所需的高溫，TFTR配備了強大的輔助加熱系統(tǒng)。它具備中性束注入（NBI）系統(tǒng)，可提供高達40兆瓦的功率，將高能中性粒子注入等離子體以對其進行加熱。此外，射頻（RF）波加熱系統(tǒng)可提供高達11兆瓦的功率，利用離子回旋共振加熱（ICRH）將能量傳遞給等離子體粒子。這些系統(tǒng)使TFTR能夠達到與反應堆相關的溫度并研究加熱動態(tài)。
先進的等離子體診斷：TFTR配備了廣泛的診斷工具套件，用于測量等離子體參數(shù)，包括溫度、密度、電流和雜質水平。這些工具包括量熱探測器、光譜儀、紅外光度計和中子診斷裝置，用于監(jiān)測聚變反應。診斷提供了等離子體行為的詳細數(shù)據(jù)，使研究人員能夠分析約束、穩(wěn)定性和聚變性能。
氚處理和燃料循環(huán)：TFTR是第一個實施閉環(huán)氚燃料系統(tǒng)的托卡馬克，允許其將氚注入等離子體，回收未反應的氚并循環(huán)再利用。該系統(tǒng)減少了對外部氚供應的需求，并盡量減少放射性廢物，解決了未來反應堆的關鍵挑戰(zhàn)。在D-T實驗期間，TFTR使用了約100克氚，產(chǎn)生了約1.6GJ的聚變能。
配置遠程遙操作系統(tǒng)：為了處理D-T運行期間的高輻射水平，TFTR配備了由卡爾斯魯厄研究中心設計的遠程操作系統(tǒng)。在活化的真空室內(nèi)執(zhí)行諸如視覺檢查、部件更換和診斷校準等任務，確保安全高效的維護。

四、核心參數(shù)

TFTR裝置的主要參數(shù)如下：大半徑3.1m，小半徑0.96m，磁場強度6T，總加熱功率超過50MW（中性束40MW、射頻11MW），等離子體電流3MA。

其前身裝置PLT（Princeton Large Torus）核心參數(shù)為：大半徑1.32m，小半徑0.4m，磁場強度4T，總加熱功率10MW，等離子體電流0.7MA。

五、發(fā)展歷程

TFTR的開發(fā)和運行橫跨二十余年，其發(fā)展歷程可分為以下幾個關鍵階段：

概念設計階段（1973-1976年）：在1973年，隨著諸如PLT等較小托卡馬克的成功，TFTR的規(guī)劃開始。在美國能源部的領導下，由Robert Hirsch領導，旨在建造一個燃燒氚的托卡馬克以實現(xiàn)科學收支平衡。PPPL被選為托管實驗室，初步設計要求一個大型托卡馬克。
最終設計和采購（1976-1980年）：TFTR的設計根據(jù)PLT的經(jīng)驗進行了演變，PLT展示了有希望的約束結果。加熱系統(tǒng)被升級到50兆瓦（后來為80兆瓦），以實現(xiàn)收支平衡目標。環(huán)向場線圈、真空室和診斷系統(tǒng)進行了設計和采購。
建設和初期運行（1980-1982年）：建設于1980年在PPPL開始，包括托卡馬克的主要部件（真空室、環(huán)向場線圈和加熱系統(tǒng)）的組裝。TFTR在1982年12月24日產(chǎn)生首批等離子體，標志著其運行階段的開始。最初的幾年集中在調(diào)試和測試上，以確保托卡馬克系統(tǒng)在高功率條件下的可靠性。
氘運行和優(yōu)化（1982-1993年）：在此期間，TFTR主要使用氘等離子體運行，允許研究人員開發(fā)和表征高性能模式。1986年，TFTR產(chǎn)生了其首個“Super Shot”高約束放電，產(chǎn)生了大量聚變中子，展示了D-T運行的潛力。1986年7月，更是實現(xiàn)了2億攝氏度的等離子體溫度，并在1986年4月實現(xiàn)了1.5×101? K·s·cm?3的聚變?nèi)胤e，接近收支平衡要求。
氘氚實驗（1993-1997年）：1993年11月，TFTR開始了其D-T運動，成為第一個進行廣泛50/50 D-T等離子體實驗的托卡馬克。進行了超過1090次D-T射擊，1994年產(chǎn)生了10.7MW的聚變功率和總共1.6GJ的聚變能。實驗集中在阿爾法粒子約束、阿爾法加熱和等離子體穩(wěn)定性上，為未來反應堆提供了關鍵數(shù)據(jù)。由于預算削減，TFTR運行于1997年4月結束。1995年2月，TFTR產(chǎn)生5.1億攝氏度的新的離子溫度的世界紀錄。
去污和退役（1999-2002年）：在運行停止后，TFTR處于活化和氚污染狀態(tài)，需要進行為期三年的去污和退役（D&D）項目。從1999年開始，PPPL移除了診斷設備、結構部件和托卡馬克本身，使用了來自裂變反應堆退役的技術和如鉆石線切割等新方法。D&D項目于2002年9月安全、按時且低于預算地完成，標志著TFTR物理存在的終結。

六、突出成就

在15年的運行周期內(nèi)，TFTR取得了眾多科學、技術和工程成就，鞏固了其作為聚變研究里程碑的地位。最顯著的成就包括：

世界紀錄聚變功率（10.7兆瓦）：1994年，TFTR從D-T等離子體中產(chǎn)生了10.7MW的受控聚變功率。這是當時托卡馬克實現(xiàn)的最高聚變功率，展示了D-T聚變用于能源生產(chǎn)的潛力。中心聚變功率密度達到2.8兆瓦/立方米，與反應堆條件相當。
創(chuàng)紀錄的等離子體溫度（5.1億攝氏度）：1995年，TFTR實現(xiàn)了等離子體離子溫度5.1億攝氏度（45keV），超過太陽核心溫度的25倍，是實驗室中產(chǎn)生的最高溫度。這一溫度遠超商業(yè)聚變所需的1億攝氏度，驗證了TFTR的加熱系統(tǒng)和約束能力。
開創(chuàng)性D-T實驗：TFTR是第一個進行廣泛50/50 D-T等離子體實驗的磁聚變裝置，產(chǎn)生了超過1090次D-T射擊和1.6GJ的聚變能。這些實驗提供了有關α粒子約束、α加熱（對電子加熱貢獻達15%）和同位素效應的首批全面數(shù)據(jù)，對設計如ITER等燃燒等離子體反應堆至關重要。
先進約束模式：1995年，TFTR科學家發(fā)現(xiàn)了增強反剪切模式，這是一種降低等離子體湍流和提高穩(wěn)定性的新約束模式。該模式與“超級射擊”模式一起，顯著提高了約束時間和聚變性能，影響了后續(xù)托卡馬克設計。TFTR還實現(xiàn)了高極向β平衡，展示了穩(wěn)定、高壓等離子體。
聚變?nèi)胤e里程碑：1986年4月，TFTR實現(xiàn)了聚變?nèi)胤e1.5×101? K·s·cm?3，接近實際反應堆的閾值，是收支平衡所需值的五到七倍。盡管這一溫度低于要求，但它標志著向與反應堆相關的條件邁出了重要一步。
閉環(huán)氚燃料：TFTR在托卡馬克中首次實施了閉環(huán)氚燃料系統(tǒng)，循環(huán)利用氚以供重復使用并減少放射性廢物。該系統(tǒng)是一項重大技術進步，證明了未來反應堆氚處理的可行性，并盡量減少環(huán)境影響。

TFTR作為磁約束聚變研究的里程碑，不僅實現(xiàn)了工程參數(shù)的突破，更在等離子體物理、氚循環(huán)、材料科學等領域積累了寶貴數(shù)據(jù)。2020年，美國核學會（ANS）將TFTR指定為核歷史地標，表彰其對聚變能生產(chǎn)和技術的貢獻。

參考資料：