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聚变与等离子体研究所

发表时间:2017-01-16 发布者: 浏览次数:2508


欢迎访问:聚变与等离子体研究所。


聚变与等离子体研究所是电气与电子工程学院应我国参与的最大国际合作项目--国际热核聚变实验堆(ITER)计划(www.iter.org)以及未来核聚变能研发的重大需求而成立的研究所,其宗旨是开展核聚变能源相关的基础研究和培养聚变能研发需要的复合型人才。

聚变所拥有由华中科技大学与美国德州大学奥斯丁分校共建的聚变实验装置J-TEXT。该装置是我国高校中唯一的大中型托卡马克装置,也是依托于华中科技大学成立的“磁约束核聚变教育部研究中心”的主要研究平台。聚变所现有教师24人,技术人员13人,其中院士1人,中组部千人计划获得者1人,教育部长江学者1人,教授5人,副教授7人。

ITER计划将探索聚变能应用在科学和工程技术上的可行性,为这一先进能源的最终商业应用奠定基础。ITER是典型的大科学实验装置,涉及学科门类多,工程实现难度大,聚变所通过对ITER计划的参与,实现了电气、物理、材料、能源、机械、控制、计算机等学科的交叉和发展,促进了新型复合型人才的培养,提升了我校在未来尖端科技领域的影响力。

目前聚变所在聚变工程技术、等离子体物理和核科学与技术等主要研究方向上开展了相关研究和人才培养,先后承担了国家热核聚变实验堆(ITER)计划专项、“973”计划、国家自然科学重大基金等在内的国家级重大研究项目32项,研究经费超过1.5亿元。通过这些项目的研究,聚变所取得了丰硕的研究成果:自主研发了国际领先的三色远红外激光偏振干涉仪,主要性能指标均为世界顶尖水平;采用多耦合场分析设计方法,研制了ITER大功率聚变电源组件;开发了国内首个在聚变装置上完全采用EPICS CA协议实现的控制系统;首次在国际上提出了托卡马克等离子体旋转的湍流加速新机制;建立了国内首套转动扰动场系统,完整给出了扰动场与撕裂模的作用区间等。聚变所目前已在Physics Review Letters、Nuclear Fusion等国际高水平期刊上发表SCI论文100余篇,并多次在国际聚变顶级会议做邀请报告。

聚变所积极开展国内外学术交流活动,与美国德州大学聚变研究中心、普林斯顿大学等离子体物理国家实验室、通用原子能公司、加利福尼亚大学洛杉矶分校、加利福尼亚大学圣地亚哥分校,德国马普等离子体物理研究所,法国原子能委员会受控聚变所,英国卡拉姆实验室,韩国国家聚变研究所,日本原子能研究所,核工业西南物理研究院,中科院等离子体研究所,中国科学技术大学等国内外著名研究机构建立了密切合作关系,形成了知名学者定期互访、优秀研究生外派和联合培养等合作交流机制。

迄今为止,聚变所已成功举办了“第五届中美磁约束聚变联合研讨会”、“第一届和第二届”、“中国托卡马克物理东湖会议”以及“2013年度中国等离子体物理暑期学校”等重大国际与国内学术会议;同时有超过100人次参加“IAEA”、“IPAC”、“ITPA”、“EPS”、“APS”以及“SOFT”等国际顶级学术会议。

           

                    聚变与等离子体研究所全体教职工                                 J-TEXT装置俯瞰图

 

                 

                                                   J-TEXT装置控制室                                      J-TEXT装置

 

主要研究方向

磁约束核聚变若干关键问题的研究

等离子体破裂的抑制与保护以及减少沉积在偏滤器靶板的局部热负荷是ITE及未来聚变堆面临的主要问题。本研究拟通过理论和实验相结合,弄清破裂的机理和前兆特征,设计破裂抑制和保护手段,对等离子体大破裂进行抑制和保护,解决ITER和未来聚变堆的大破裂问题。并借鉴仿星器装置上磁岛偏滤器的思想,利用外加共振扰动场,在J-TEXT上产生并控制边界磁岛结构,研究在托卡马克上形成磁岛偏滤器位形的可行性,解决ITER及未来聚变堆所面临的局部热负荷问题。

磁阱型聚变中子源关键科学与技术问题研究

聚变中子源是开展未来聚变堆材料测试研究的关键平台,利用聚变反应获得高通量单能聚变中子可能是获得聚变中子源的最佳途径。本项研究拟探索磁约束聚变新位形,通过采用原创性的级联压缩方法,研究级联压缩过程相关的不稳定性抑制与等离子体参数演化、等离子体产生与对碰、等离子体约束机制等关键科学技术问题,来大幅提高等离子体温度、密度等关键参数进而实现聚变反应。该项研究不仅可用于聚变中子源相关研究,还可用于产氚技术与脉冲聚变堆研究,具有重要的科学研究价值。

磁约束核聚变堆工程技术研究

电源、控制系统等技术,是聚变对工程实现不可缺少的关键技术技术。磁体电源技术方面,研究了基于有限元算法的电源结构模型多耦合场分析设计方法,对电源结构模型进行电磁场、热效应、应力与应变分析。在辅助加热高压电源技术方面,研究新的变压器系统拓扑结构、研究PSM高压电源运行、控制方式,大大提高了系统的动态性能。在控制技术方面,研究高新能实时控制和等离子体控制技术、基于机器学习的破裂预测技术,和分布式实验数据存储技术。通过工程技术的创新性研究,消化吸收如ITER技术等国际上先进工程技术,同时为未来聚变堆工程技术提供参考。

等离子体技术和应用

等离子体诊断致力于测量等离子体各种参数及其分布,为等离子体控制及物理研究提供实验数据。该方向着眼于未来聚变堆的需求及其特殊环境,研制未来堆所需及满足要求的各种先进诊断。等离子体应用方面研究不同结构超材料的电磁调控特性及其产生机制,掌握不同应用环境(吸波型、聚焦型、阻磁型)下不同结构超材料的设计方法及其成型工艺,拓展电磁超材料在相关领域的实际工程应用。研究“薄、轻、宽、强”高性能的雷达波超材料吸波体,结合等离子体放电技术,实现新型等离子体超材料设计及其工程应用;研究多种传输介质作用下的无线能量传输机理,突破高效远距离定向无线能量传输技术;研究聚焦型屏蔽型电磁超材料,通过人工电磁调控,解决无线输电系统效率、传输距离以及电磁兼容等关键问题。

不同超材料结构及其电磁特性

           不同超材料结构及其电磁特性

超材料用于无线电能传输系统电网环境下无线取电技术

          超材料用于无线电能传输系统电网环境下无线取电技术

 

代表性成果

偏振仪系统研究

发展了世界首台基于分立三波光源的偏振仪系统。其主要参数为:法拉第旋转角相位分辨率最高可小于0.05度(~1mrad),为托卡马克装置的世界最高水平;空间测量范围达51cm,覆盖等离子体小截面90%,且可根据实际需求调节覆盖位置,空间分辨率最高可达1.5厘米,空间覆盖范围或空间分辨率均属世界顶尖水平;为当今世界上最先进的偏振仪之一;利用上述偏振仪系统,世界上首次在托卡马克上直接观测到法拉第旋转角的锯齿行为。相关工作已在科学仪器类顶级期刊“Review of Scientific Instruments”发表论文多篇,相关研究人员也已受邀开展ITER偏振仪系统的设计。 

  

 

              偏振仪系统激光器  

偏振仪电子密度和电流密度剖面的测量

 

  偏振仪电子密度和电流密度剖面的测量

                                         

             法拉第转角的测量密度与法拉第角的锯齿

 

 

扰动场与等离子体破裂研究

创新性地研究了扫描扰动场锁模阈值法、扰动场补偿法等多种误差场补偿方法,可为ITER误差场补偿提供参考。通过加入不同相位的扰动场,观测撕裂模不均匀转动的特征,可以确定误差场补偿的最优幅值和相位。成功利用转动扰动场实现了撕裂模的解锁,验证了ITER上利用扰动场进行锁模控制的可行性,在避免锁模破裂方面意义重大,相关成果发表在2016PPCF上,并评为年度亮点文章。研究发现了扰动场穿透等离子体的阈值随密度变化先上升后下降的现象,并发现了等离子体转动对穿透阈值的贡献,更新了研究界原来“穿透阈值随密度限行变化”的观点。

扰动场系统实物图撕裂模解锁扰动场穿透阈值随密度变化

扰动场系统实物图撕裂模解锁扰动场穿透阈值随密度变化

 

等离子体理论与数值模拟研究

提出了湍动加速驱动自发转动的新机制、证明了湍动加速存在并且与动量守恒不矛盾,为理解困惑人们已久的自发转动提供了新思路,多次在中国物理学会秋季会议、西湖会议和法国理论节做邀请报告,并被20179月首届亚太等离子体物理大会邀请做特邀报告,并发展了湍流动量输运的非线性理论,被评价为“工作极为重要,对于聚变堆非常关键”,这一系列创新性成果在PRLNFPoP上发表6篇文章。此外,还在湍流杂质输运、带状流和逃逸电子产生理论等研究方向上取得了若干进展,为理解微观湍流和介观带状流以及杂质之间的相互作用等做出了重要贡献,在NFPPCFPoP上发表文章10余篇。

 

 

钨杂质降低中尺度、增强小尺度带状流磁涨落使阈值电场增加,雪崩增长率显著下降