瑞士的中型托卡马克装置:TCV

· 聚变装置

2022年2月,瑞士等离子体中心(SPC)与谷歌的Deepmind团队基于深度强化学习技术,共同开发出一种新型等离子体控制方法,并首次在SPC的托卡马克实验装置TCV中实现了真实等离子体的应用验证。

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一、装置概览

TCV,全称Tokamak à configuration variable,是洛桑联邦理工学院(EPFL)下属的瑞士等离子体实验室最大的科研设施,与德国ASDEX Upgrade、英国MAST Upgrade和法国WEST并称为欧洲四大中型托卡马克装置。该装置自1992年11月产生了第一批等离子体,1993年6月开始全面运行。

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SPC,全称是Swiss Plasma Center,即瑞士等离子体中心,欧洲聚变能发展联盟EUROfusion的成员单位。前身可追溯到1961年成立的等离子体物理实验室。实验室主要从事等离子体物理理论、基础实验等离子体物理、托卡马克物理、聚变反应堆材料、超导体开发与测试、回旋管和等离子体处理等领域的研究。

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二、研究领域

TCV托卡马克的核心使命是:利用其高度专业化的等离子体成形能力,开发新型等离子体构型与位形。通过离子回旋共振加热(ECRH)与高功率中性束加热(NBI)的结合,该装置可提供多种加热及电流驱动方案。这些高度灵活的技术特性,加之测量系统(诊断设备)的持续升级优化、实时控制系统的定期改进,使TCV成为探索磁约束等离子体物理机制的理想实验平台。

具体来说,TCV的研究领域包括:

新型等离子体位形开发:比如双峰形、雪花形、负三角形等离子体

ECRH等离子体加热:电子伯恩斯坦波(EBW)、二次谐波(O2)、X2/X3模式应用,超热电子的产生与输运

输运与旋转研究:动量/粒子输运与等离子体位形的关联性,杂质输运特性

高约束模物理研究:准稳态高约束模式(QH-mode)、边缘局域模(ELM)控制、低-高约束模式(L-H)阈值、等离子体位形对约束的影响

先进托卡马克运行模式(ECCD相关):全非感应电流驱动方案开发,电子内部传输壁垒(eITBs),高自举电流占比放电研究

刮削层(SOL)与等离子体-壁相互作用(PWI):红外热成像测量、SOL湍流特性研究等等

此外,作为EPFL的一部分,TCV还承担了部分学术研究任务:探索等离子体基础物理问题(例如湍流输运机理、自发旋转现象、快速粒子物理等),这些研究有助于完善磁约束聚变的理论框架。

三、突出特点

1.等离子体形状可塑性突出:

16个独立供电的极向线圈以及矩形截面真空室设计,使TCV能够在不更换硬件的情况下产生几乎任意截面形状的等离子体。这种可塑性远超多数传统托卡马克。

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2.强大的电子加热和电流驱动能力:

TCV的ECRH/ECCD系统在同等级别装置中处于领先地位。总功率超过4MW的高频加热以及多条可旋转波束,使其能够灵活加热等离子体不同部位并实现完全非感应电流驱动。

3.先进的实时等离子体控制:

TCV率先采用了数字实时控制系统来管理其多线圈和多源加热,其控制系统具备毫秒级反馈,将数十路诊断信号与线圈电源和射频功率源联动,可实现精细的等离子体形状、位形和不稳定模控制。

4.低成本高效率的实验平台:

由于体积小、结构相对简单,TCV的运行成本和准备时间远低于大型托卡马克。这意味着TCV能够高实验产出率地运行,每天可执行十余甚至数十个放电,快速扫描参数和验证想法。这种“小快灵”优势使TCV成为整个聚变研究体系中的“快速试验台”和物理概念验证机。

四、核心参数

TCV装置核心参数为:等离子体大半径0.88m,小半径0.25m、最大等离子体电流1.2MA、环形磁场1.54T。

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TCV前身是TCA(全称Tokamak Chauffage Alfvén),是EPFL设计和建造的首台核聚变装置,于1980-1992年运营,重点用来评估和增强Alfvén波的等离子体加热。其核心参数为:等离子体大半径为0.615m,小半径为0.18m,最大等离子体电流为100KA,最大环形磁场1.1T。1994年,这台装置转让给巴西圣保罗大学(USP),随后更名为TCABR(Tokamak Chauffage Alfvén BRésilien),1999年开始重新启动运营,现如今已是南半球最大的托卡马克装置。

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五、发展历程

1970年代中期,瑞士开始规划新一代托卡马克装置,以深入研究拉长等离子体的物理行为。

1986年,TCV项目正式获得批准。

1992年11月,TCV建设完成并首次成功产生等离子体放电。

1993年6月,TCV进入正式运行阶段。

1990年代末,对ECRH系统的进行升级,增加新的回旋管以提升加热功率,并逐步完善真空、诊断和控制系统,使其能够探索H模、高β等新的等离子体模式。

2000年,第一个电子回旋加速器加热系统安装TCV托卡马克上。2013年,EUROfusion选择TCV参与ITER的设计。

2013-2015年,TCV进行了为期约19个月的长停机,用于实施有史以来最大规模的升级。在这次升级中,团队安装了第一台1MW级中性束加热器,开辟了离子加热的新途径。

2018-2019年,对偏滤器进行了升级。

2020年代,又增设了第二台中性束(更高能量)和新的高频回旋管,使TCV具备更强大的加热与控制能力。

六、部分突出成果

1.负三角形等离子体提升约束性能:TCV最令人瞩目的发现之一是在负三角形截面(即截面呈反D形)条件下实现了显著改善的能量约束。早在1990年代末,TCV通过调整线圈电流首次产生负三角形等离子体,并观察到其能够约束时间较对应的正三角形等离子体明显提高,同时等离子体边缘可自然避免出现大型ELM不稳定。这一发现有望成为未来DEMO设计的一种候选形状,TCV在这一方向的先导研究具有开创意义。

2. “雪花”偏滤器的首次验证:2010年前后,TCV成功实现了雪花偏滤器构型的等离子体放电,成为全球首个验证这种高级偏滤器概念的托卡马克。TCV的实验证明,在雪花构型下可以稳定维持放电,并初步观察到偏滤器热流分布变化和边缘等离子体行为的改善。这一结果证实雪花偏滤器在工程上可行,为后续装置(如MAST-U和NSTX-U)尝试类似构型提供了依据。

3.感应电流驱动和长脉冲放电:得益于强大的ECRH/ECCD系统,TCV率先在2000年实现了完全由射频电流驱动的等离子体放电,这一成果标志着托卡马克稳态运行研究的里程碑,也对ITER及未来聚变堆的电流驱动和稳态运行方案具有直接参考价值。此外,TCV还成功实现了多种先进稳态场景:例如利用ECCD控制电流剖面形成内部输运障壁(ITB),获得中心电子温度梯度剧增的高封闭区;以及在强ECRH辅助下进入准稳态无ELM的高约束模,为长脉冲高约束运行探索条件。

参考资料:

  • https://actu.epfl.ch/news/epfl-and-deepmind-use-ai-to-control-plasmas-for-nu/
  • https://www.epfl.ch/research/domains/swiss-plasma-center/research/tcv/
  • https://euro-fusion.org/devices/medium-sized-tokamaks/
  • https://www.epfl.ch/research/domains/swiss-plasma-center/research/tcv/research_tcv_tokamak/tcv-technical-data/