图1. JT-60SA的照片（左）和示意图（右）。（来源：中研究所）

JT-60SA（日本Torus-60 Super Advanced）是世界上最大的超导托卡马克装置。它的目标是尽早实现聚变能（如图1）。聚变是太阳的能量来源，仅1克氘氚（DT）燃料就能产生巨大的能量——相当于8吨原油。

去年秋天，JT-60SA 项目宣布了一个重要里程碑：托卡马克首次产生等离子体。本文介绍了 JT-60SA 项目的目标、首次产生等离子体的运行活动成果以及后续步骤。

JT-60SA的用途

JT-60SA项目是欧盟与日本的“更广泛途径协议”和日本国家核聚变计划的实施项目，位于日本那贺市国立量子科学技术研究所那贺核聚变科学技术研究所，由日本和欧洲紧密合作建造，是目前世界上最强大的实验装置。

JT-60SA 项目的三个主要目标是：（1）通过解决 ITER 可以从中受益的先前物理/技术问题来支持 ITER；（2）通过为拟议的 DEMO 聚变电站的设计提供物理基础来补充 ITER；（3）培养将领导 ITER、DEMO 和其他未来聚变项目的下一代科学家、研究人员和工程师。

目前正在法国建造的 ITER 托卡马克装置旨在验证产生比输入功率高 10 倍的聚变能量。DEMO 将作为示范发电站，紧随 ITER 之后，先于商业聚变。

托卡马克的一个特点是向等离子体中传送电流，称为等离子体电流。另一个特点是线圈产生的磁场，组合磁场在环形等离子体中形成一个螺旋笼。

与其他托卡马克一样，JT-60SA 使用等离子状态下的高温氢作为燃料，原子被电离成离子和电子。当离子相互碰撞时会发生核聚变。由于离子具有相同的电荷（正电荷），因此碰撞需要高速度（高温）和长时间的约束。带电离子和电子在强磁场下受到洛伦兹力的约束，以便反应高效发生。

电磁铁线圈采用超导导线，可长时间产生强磁场。JT-60SA 的铌锡 (Nb 3 Sn) 和铌钛 (NbTi) 超导导线在极低温度 (−269°C) 下没有电阻，因此电磁铁可以承载大电流，长时间产生强磁场。

2020年，JT-60SA装置一建成，便开始进行综合调试，以验证整个设施（由于规模庞大，可以称为工厂）的完整性和性能。JT-60SA的许多组件都是首创（FOAK），采用世界最高水平的技术专门制造。当然，组件的性能测试是在生产时单独进行的，但组件是否能在JT-60SA的恶劣环境下工作，只能在组装后、运行过程中进行测试。例如，各种组件需要承受超导线圈和等离子电流产生的强磁场。

综合调试

综合调试从将 JT-60SA 的真空容器和低温恒温器从大气压抽真空开始（见图 1）。真空容器完全包含在低温恒温器中，所有超导线圈都安装在低温恒温器之间。通过抽真空低温恒温器，实现了超导线圈与大气（通过低温恒温器）以及等离子体（通过真空容器）的热绝缘。限制等离子体的真空容器也被抽真空，因为通过施加电场在工作气体（JT-60SA 中主要是氢气或氦气）中产生等离子体的最佳压力低于大气压。真空容器和低温恒温器抽真空时的压力下降与设计曲线一致，并确认实际 JT-60SA 的真空泄漏总量与设计值一致。

低温恒温器内的压力降低后，超导线圈开始冷却。线圈内有氦冷却剂流过的流道。由于快速冷却会导致线圈损坏，这是由于线圈各部分热膨胀差异引起的力的结果，因此必须在保持规定的冷却速度的同时小心地进行冷却，并测量和确认由于各部件收缩而导致的变形。

另外，为了确认线圈已进入超导状态，在线圈中通入少量电流，测量线圈两端的电压，并测量电阻。经过41天，确认所有线圈均已进入超导状态。

最后，我们进行超导线圈通电测试，为了安全起见，我们从小电流开始，再到大电流，从单线圈到多线圈，再到所有线圈，在完成等离子体产生的最低要求后，终于开始等离子体操作。

与 JT-60（JT-60SA 的前身）和许多其他托卡马克装置一样，零磁场配置 (FNC) 启动是常用方法。我们利用射频 (RF) 加热系统通过 FNC 启动启动等离子体，但一直失败。

接下来，我们准备了另一种粒子捕获结构 (TPC) 启动，这种结构已知即使在低电压下也能产生等离子体。使用 TPC 启动，我们成功产生了托卡马克等离子体。等离子体电流为 130,000 安培，通过相机图像确认了托卡马克等离子体特有的由等离子体电流产生的磁场形成的圆形横截面形状（见图 2）。2023 年 10 月 23 日首次实现等离子体，这仅仅是等离子体运行开始后的第二天，所有参与人员都很高兴 JT-60SA 项目的重要里程碑之一能够迅速实现。

图 2. JT-60SA 真空容器内部，在开始综合调试之前（左）和第一个托卡马克等离子体时（右）。在图片中，托卡马克装置的中心位于右侧。紫色部分是等离子体。圆形横截面是托卡马克等离子体所特有的。（来源：Naka 研究所）

为了产生托卡马克等离子体，需要按预期产生限制等离子体的磁场，但磁场会受到超导线圈本身的制造和安装误差以及通过感应电流产生磁场的真空容器的制造和安装误差的影响。

下一个目标是稳定地控制等离子体。特别是等离子体电流和等离子体形状是决定等离子体性能的重要参数。除了增加等离子体电流外，使用偏滤器配置控制等离子体形状也是必不可少的，以实现最先进的聚变研究所需的高温高压等离子体。

由于等离子体的移动速度约为10毫秒，因此高速计算机的实时控制必不可少。为了开发控制系统，QST开发了模拟器，该模拟器包括JT-60SA等离子体、超导线圈和电源、真空容器和电磁传感器以及控制系统本身。该研究所多年来一直致力于开发控制等离子体电流和形状的方法。当设计和制造的等离子体控制系统应用于真实的JT-60SA时，等离子体的行为与模拟器的预测一致，因此可以确认模拟器是准确的，并且可以顺利进行，增加等离子体电流并形成偏滤器配置。经过多年的准备，我们才能够在等离子体运行开始后的20天内实现另一个重要的里程碑：在进行各种测试的同时，实现了等离子体电流为100万安培的偏滤器配置等离子体。等离子体如图2所示。在相机图像中（图3，上）在使用电磁传感器信号计算的等离子体形状的偏滤器配置所指示的位置处显示了亮线（图3，下）。结果，我们能够确认等离子体控制用于加热实验。最终，等离子体电流增加到120万安培，经过各种测试，集成调试安全完成。

图 3. 真空容器中等离子体的照片（左），以及根据安装在真空容器中的磁传感器信号计算出的等离子体截面中磁场线的形状（右）。等离子体电流增加到 100 万安培，控制等离子体形状以形成偏滤器配置。请注意，右图中的左侧和右侧是颠倒的。磁场线在等离子体顶部形成 X 形，两条偏滤器线向真空容器拉出。两条磁场线与真空容器相交的两个点在左图中可见为亮线。（来源：Naka 研究所）

未来计划

综合调试完成后，我们立即着手开展各项工作，以增强机器能力，为未来的等离子体加热实验做准备。我们计划利用数十兆瓦的强大加热系统实现超过 1 亿摄氏度的高温等离子体，并开展高压稳态等离子体的研究和开发，这将有助于尽早实现聚变能并降低成本。要进行这种高功率加热实验，除了安装加热系统外，还需要增强面向等离子体的部件的热处理能力。例如，需要加强 RF 加热系统，并将安装多个中性束注入 (NBI) 加热系统（见图 1）。RF 和 NBI 加热系统工作灵活，不仅可以加热等离子体，还可以在各个等离子体位置驱动等离子体电流，从而优化等离子体性能。

此外，真空容器内还将安装各种用于控制等离子体的设备，例如各种线圈和导电板，用于修补和防止磁场变形，因为磁场变形会降低等离子体的性能；用于将燃料注入等离子体核心的冰氢颗粒导管；用于测量等离子体参数以优化性能的各种诊断设备等等。与 JT-60SA 建造期间的情况一样，这些系统和设备在日本和欧洲生产，并将运到 Naka 研究所进行组装和安装。日本和欧洲继续密切合作，目标是在 2026 年开始加热实验，但将安全第一的政策作为优先事项。我们期待与核能界和世界分享我们在加热实验中获得的具有增强机器能力的高性能等离子体。

铃木隆宏是日本国家量子科学技术研究所中部聚变科学技术研究所先进等离子体研究中心副主任。

核技术论坛

阅读 赞 分享 言