首个使用50/50氘氚混合燃料的装置：美国TFTR

20世纪80年代，随着核聚变研究的逐渐深入，各国纷纷建造了具有代表性的大型托卡马克装置。而在这其中，美国TFTR、英国JET和日本JT-60最为突出，并称为世界三大托卡马克装置。前两者是目前为数不多的实现氘氚聚变反应的装置，TFTR也是首个使用50/50氘氚混合燃料的装置。

一、装置概览

TFTR（Tokamak Fusion Test Reactor），即托卡马克聚变实验反应堆，是美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）建造的一种实验性磁约束聚变装置。TFTR旨在研究接近聚变反应堆所需的温度和密度下的等离子体物理，特别关注氘氚（D-T）等离子体—实现实用聚变能生产的燃料混合物。

TFTR从1982年运行到1997年，造价达到3.14亿美元。尽管未能实现科学收支平衡的最终目标，但TFTR在等离子体物理、聚变技术和未来聚变反应堆的发展方面做出了开创性贡献。其庞大的体积、先进的加热系统和精密的诊断设备使其成为美国聚变能源研究计划的基石，并在其运行期间成为全球托卡马克研究的领导者。

PPPL成立于1951年，位于美国新泽西，是一家由美国能源部（DOE）委托普林斯顿大学运营管理的国家实验室，是全美物理科学基础研究的最大实验室之一。PPPL具有顶尖的研发团队，在磁约束实验、等离子体理论与计算、等离子体科学与计算等方面处于居于全球领先地位。

二、研究目标

TFTR的研究目标包括：

• 实现科学收支平衡（Q=1）：TFTR旨在达到聚变反应释放的能量等于用于加热和维持等离子体的外部能量供应的临界点，即科学收支平衡。这是展示聚变作为能源可行性的关键一步。
• 研究氘氚等离子体：与当时大多数使用氘或氢等离子体运行的托卡马克不同，TFTR被设计为进行广泛的50/50 D-T等离子体实验。这种燃料混合物因其在可实现温度下具有最高的反应截面而成为聚变的最优选择。TFTR旨在研究D-T等离子体的行为，包括α粒子的约束和加热效应，这对于未来反应堆中的自持“燃烧等离子体”至关重要。
• 推进等离子体约束和稳定性：TFTR旨在利用磁场改善高温等离子体的约束，这是托卡马克设计中的一个关键挑战。它探索了各种约束模式，如增强约束的反磁剪切位形，以减少湍流和能量损失。目标实现更高的“聚变三乘积”。
• 聚变技术挑战研究：除了等离子体物理，TFTR还解决了对聚变反应堆至关重要的工程问题，包括氚处理、面向等离子体的材料、中性束加热、射频（RF）加热和辐射安全。这些研究对于开发安全高效的聚变电厂所需的技术至关重要。
• 为未来反应堆提供数据：TFTR旨在生成大量数据，以指导更大托卡马克（如JET和ITER）的设计。通过在与反应堆相关的条件下运行，它提供了对等离子体行为、约束扩展和聚变系统集成的见解，为全球聚变研究工作做出了贡献。TFTR曾首次观测到α粒子加热效应及由其驱动的托卡马克阿尔芬本征模（TAE），为ITER设计提供关键数据。

三、突出特点

TFTR具有先进的设计和鲜明的工程特点，使其能够在开展聚变前沿研究。其主要特点包括：

环形磁场约束系统：TFTR使用由20个铜制环向场（TF）线圈产生的环形磁场，每个线圈外径4.26米，重22680千克。这些线圈产生高达5.2T的磁场，将等离子体约束在环形形状中。中央螺线管和极向场线圈创建了一个极向磁场，将磁力线扭曲成螺旋模式以稳定等离子体。外部的极向场线圈则塑造和定位等离子体，确保最佳约束。

• 高功率加热系统：为了实现聚变所需的高温，TFTR配备了强大的辅助加热系统。它具备中性束注入（NBI）系统，可提供高达40兆瓦的功率，将高能中性粒子注入等离子体以对其进行加热。此外，射频（RF）波加热系统可提供高达11兆瓦的功率，利用离子回旋共振加热（ICRH）将能量传递给等离子体粒子。这些系统使TFTR能够达到与反应堆相关的温度并研究加热动态。
• 先进的等离子体诊断：TFTR配备了广泛的诊断工具套件，用于测量等离子体参数，包括温度、密度、电流和杂质水平。这些工具包括量热探测器、光谱仪、红外光度计和中子诊断装置，用于监测聚变反应。诊断提供了等离子体行为的详细数据，使研究人员能够分析约束、稳定性和聚变性能。
• 氚处理和燃料循环：TFTR是第一个实施闭环氚燃料系统的托卡马克，允许其将氚注入等离子体，回收未反应的氚并循环再利用。该系统减少了对外部氚供应的需求，并尽量减少放射性废物，解决了未来反应堆的关键挑战。在D-T实验期间，TFTR使用了约100克氚，产生了约1.6GJ的聚变能。
• 配置远程遥操作系统：为了处理D-T运行期间的高辐射水平，TFTR配备了由卡尔斯鲁厄研究中心设计的远程操作系统。在活化的真空室内执行诸如视觉检查、部件更换和诊断校准等任务，确保安全高效的维护。

四、核心参数

TFTR装置的主要参数如下：大半径3.1m，小半径0.96m，磁场强度6T，总加热功率超过50MW（中性束40MW、射频11MW）， 等离子体电流3MA。

其前身装置PLT（Princeton Large Torus）核心参数为：大半径1.32m，小半径0.4m，磁场强度4T，总加热功率10MW， 等离子体电流0.7MA。

五、发展历程

TFTR的开发和运行横跨二十余年，其发展历程可分为以下几个关键阶段：

• 概念设计阶段（1973-1976年）：在1973年，随着诸如PLT等较小托卡马克的成功，TFTR的规划开始。在美国能源部的领导下，由Robert Hirsch领导，旨在建造一个燃烧氚的托卡马克以实现科学收支平衡。PPPL被选为托管实验室，初步设计要求一个大型托卡马克。
• 最终设计和采购（1976-1980年）：TFTR的设计根据PLT的经验进行了演变，PLT展示了有希望的约束结果。加热系统被升级到50兆瓦（后来为80兆瓦），以实现收支平衡目标。环向场线圈、真空室和诊断系统进行了设计和采购。
• 建设和初期运行（1980-1982年）：建设于1980年在PPPL开始，包括托卡马克的主要部件（真空室、环向场线圈和加热系统）的组装。TFTR在1982年12月24日产生首批等离子体，标志着其运行阶段的开始。最初的几年集中在调试和测试上，以确保托卡马克系统在高功率条件下的可靠性。
• 氘运行和优化（1982-1993年）：在此期间，TFTR主要使用氘等离子体运行，允许研究人员开发和表征高性能模式。1986年，TFTR产生了其首个“Super Shot”高约束放电，产生了大量聚变中子，展示了D-T运行的潜力。1986年7月，更是实现了2亿摄氏度的等离子体温度，并在1986年4月实现了1.5×10¹⁴ K·s·cm⁻³的聚变三重积，接近收支平衡要求。
• 氘氚实验（1993-1997年）：1993年11月，TFTR开始了其D-T运动，成为第一个进行广泛50/50 D-T等离子体实验的托卡马克。进行了超过1090次D-T射击，1994年产生了10.7MW的聚变功率和总共1.6GJ的聚变能。实验集中在阿尔法粒子约束、阿尔法加热和等离子体稳定性上，为未来反应堆提供了关键数据。由于预算削减，TFTR运行于1997年4月结束。1995年2月，TFTR产生5.1亿摄氏度的新的离子温度的世界纪录。
• 去污和退役（1999-2002年）：在运行停止后，TFTR处于活化和氚污染状态，需要进行为期三年的去污和退役（D&D）项目。从1999年开始，PPPL移除了诊断设备、结构部件和托卡马克本身，使用了来自裂变反应堆退役的技术和如钻石线切割等新方法。D&D项目于2002年9月安全、按时且低于预算地完成，标志着TFTR物理存在的终结。

六、突出成就

在15年的运行周期内，TFTR取得了众多科学、技术和工程成就，巩固了其作为聚变研究里程碑的地位。最显著的成就包括：

• 世界纪录聚变功率（10.7兆瓦）：1994年，TFTR从D-T等离子体中产生了10.7MW的受控聚变功率。这是当时托卡马克实现的最高聚变功率，展示了D-T聚变用于能源生产的潜力。中心聚变功率密度达到2.8兆瓦/立方米，与反应堆条件相当。
• 创纪录的等离子体温度（5.1亿摄氏度）：1995年，TFTR实现了等离子体离子温度5.1亿摄氏度（45keV），超过太阳核心温度的25倍，是实验室中产生的最高温度。这一温度远超商业聚变所需的1亿摄氏度，验证了TFTR的加热系统和约束能力。
• 开创性D-T实验：TFTR是第一个进行广泛50/50 D-T等离子体实验的磁聚变装置，产生了超过1090次D-T射击和1.6GJ的聚变能。这些实验提供了有关α粒子约束、α加热（对电子加热贡献达15%）和同位素效应的首批全面数据，对设计如ITER等燃烧等离子体反应堆至关重要。
• 先进约束模式：1995年，TFTR科学家发现了增强反剪切模式，这是一种降低等离子体湍流和提高稳定性的新约束模式。该模式与“超级射击”模式一起，显著提高了约束时间和聚变性能，影响了后续托卡马克设计。TFTR还实现了高极向β平衡，展示了稳定、高压等离子体。
• 聚变三重积里程碑：1986年4月，TFTR实现了聚变三重积1.5×10¹⁴ K·s·cm⁻³，接近实际反应堆的阈值，是收支平衡所需值的五到七倍。尽管这一温度低于要求，但它标志着向与反应堆相关的条件迈出了重要一步。
• 闭环氚燃料：TFTR在托卡马克中首次实施了闭环氚燃料系统，循环利用氚以供重复使用并减少放射性废物。该系统是一项重大技术进步，证明了未来反应堆氚处理的可行性，并尽量减少环境影响。

TFTR作为磁约束聚变研究的里程碑，不仅实现了工程参数的突破，更在等离子体物理、氚循环、材料科学等领域积累了宝贵数据。2020年，美国核学会（ANS）将TFTR指定为核历史地标，表彰其对聚变能生产和技术的贡献。

参考资料：

• https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc676525/m2/1/high_res_d/3756.pdf
• https://www.nepjol.info/index.php/HP/article/download/12900/10448
• https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1100875/m2/1/high_res_d/5830939.pdf
• https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak_Fusion_Test_Reactor
• https://en.wikipedia.org/wiki/Princeton_Large_Torus
• https://wuli.iphy.ac.cn/en/article/pdf/preview/10.7693/wl20160203.pdf
• https://www.osti.gov/servlets/purl/6503683