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南亞核聚變研究的翹楚:印度等離子體研究所IPR

2024-09-21 09:34     來源:可控核聚變     等離子體研究 核聚變研究 核技術回旋加速器離子加速器
2024年9月16日,由印度負責維修的2塊隔熱罩部件正式開始安裝,這標志著ITER項目真空容器的安裝工作時隔兩年再度重啟。作為共建協議的重要締約方之一,印度主要通過其國內的等離子體研究所(Institute for Plasma Research,IPR)參與到ITER項目中來,已承擔的部件包括低溫恒溫器、中子屏蔽層、冷卻水系統、低溫系統、離子回旋加速器射頻加熱系統、電子回旋加速器射頻加熱系統等等。

一、基本概況

IPR,即印度等離子體研究所,成立于1986年,位于古吉拉特邦首府甘地訥格爾的薩巴爾馬蒂河畔,是印度的磁約束核聚變的科研機構。研究所主要從事等離子體科學方面的研究,包括基礎等離子體物理學、磁約束熱等離子體研究以及工業應用的等離子體技術,并在ITER中發揮重要作用,同時也是IndiGO研究聯盟成員之一。研究所由印度原子能部(Department of Atomic Energy)資助,現員工規模約700人。

印度著名的物理學家Predhiman Krishan Kaw是IPR的創始人及首任領導者,他出生于1948年,1966年在印度理工學院獲得博士學位,隨即遠赴美國普林斯頓大學攻讀博士后。1986年,Kaw教授創辦了IPR并擔任所長。2012年,Kaw教授離任。2017年6月逝世。

Department of Atomic Energy(DAE),即印度原子能部,是印度核研究的主管部門。研究領域包括三個階段的核電計劃、與醫用回旋加速器相關的研究活動、超導磁體開發、不穩定稀有同位素束高級國家設施 (ANURIB)、核聚變技術的自主開發、粒子加速器相關技術、激光領域的研發活動、食品農業和固體廢物管理、 海水淡化/凈化衍生技術和核醫學,涵蓋放射性同位素,用于多種人類疾病的非侵入性診斷等。

二、研究領域

IPR致力于等離子體的基礎研究科學和技術應用的開發,重點是磁約束聚變和等離子體輔助材料加工。IPR在理論等離子體物理學、計算機建模和模擬、超導磁體和低溫學、超高真空技術、復雜的等離子體診斷系統、射頻和中性束加熱系統、高壓工程系統、脈沖電源系統、基于計算機的數據采集和控制系統等領域具備領先地位。

三、組織架構

IPR下設FCIPT、ITER-India、CPP-IPR三大部門。

-Facilitation Centre for Industrial Plasma Technologies (FCIPT):即工業等離子體技術促進中心。FCIPT成立于1997年,致力于利用等離子體科學和相關技術的知識基礎,旨在促進等離子體的商業開發通過開發、孵化、示范、制造實現技術轉移從而實現等離子體的應用,為材料加工和環境修復產生先進的和非常規的基于等離子體的技術。

-ITER-India:代表印度為ITER項目提供裝置部件。根據ITER協議,印度承擔了9個采購包任務 ,包括真空室屏蔽、低溫恒溫器、水冷系統、低溫配電器及低溫管線、離子回旋射頻(ICRF)功率源及離子回旋系統電源(ICPS)、電子回旋射頻(ECRF)功率源及電子回旋系統電源(ECPS)、中性束診斷系統(DNB)及DNB電源、診斷系統等部件的生產制造工作。除此之外,ITER-India也在進行相關研發和實驗活動。

-Centre of Plasma Physics-Institute for Plasma Research(CPP-IPR):即等離子體物理中心-等離子體研究所 。該中心最早可追溯至1991年,2009年并入IPR。

五、聚變裝置

1. Aditya tokamak:1989年投入運行的中型托卡馬克裝置,也是印度第一臺托卡馬克裝置。主要用于進行磁約束等離子體托卡馬克基礎物理和等離子體診斷技術實驗。核心參數為:大半徑0.75m,小半徑0.25m,環向場最大磁場為1.2T,等離子體電流0.25MA。2016年,Aditya被成功改造為Aditya-U,并在年底產生了第一個等離子體。此次升級包括了三套偏濾器線圈、一個圓形X形截面真空容器以及其他先進的設備,使得Aditya-U能夠進行與當代大型托卡馬克相關的成形等離子體實驗。

2. Steady State Superconducting Tokamak(SST-1):2005年投入運行的中型穩態托卡馬克裝置,主要用來研究非感應電流驅動下的等離子體穩定性的限制、破裂、熱不穩定性和垂直位移事件(VDE)等。裝置核心參數為:大半徑1.1m,小半徑0.2m,環向場磁場為3T,等離子體電流0.22-0.33MA。SST-1運行計劃分為兩個階段:

第一階段:低約束模式(L模)運行,實現在環向場3T時達到穩態運行,持續1000s。

第二階段:高約束模式(H模)運行,開展先進托卡馬克運行研究。隨著偏濾器系統和輔助系統的升級(3-4MW),目標產生先進的托卡馬克位形。

3. SSST:建設中的小型球形托卡馬克裝置,用于研究等離子體起始和無感電流驅動。

4. Steady State Superconducting Tokamak-2(SST-2):設計中的托卡馬克裝置,旨在實現反應堆技術和D-T燃料循環。SST-2將采用Lead Lithium Ceramic Breeder(LLCB)和Helium-Cooled Ceramic Breeder(HCCB)包層進行氚增殖。裝置設計指標是:能量增益系數Q=5,聚變功率輸出約100MW,長脈沖運行達到1000s。裝置設計參數為:大半徑4.4m,小半徑1.5m,環向場磁場為5.4T,等離子體電流11.2MA。

除了上述聚變裝置外,IPR還設計建造了不少的等離子體研究裝置,如環形組件的基本實驗裝置BETA、大容量等離子體裝置LVPD、非中性等離子體裝置SMARTEX-C、磁化線性等離子體裝置等等,這些凸顯了印度在等離子體研究領域具備很強的實力。



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