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ITER离子回旋加热天线中微波滑动电接触关键技术解析与突破
一、引言
1.1研究背景与意义
随着全球经济的快速发展,能源需求与日俱增,传统化石能源如煤炭、石油和天然气等面临着日益枯竭的困境,且其使用过程中带来的环境污染问题愈发严峻,如二氧化碳排放导致的全球气候变暖等。因此,开发清洁、可持续的新能源成为当务之急。核聚变能源作为一种几乎取之不尽、用之不竭的清洁能源,具有资源丰富(其主要燃料氘可从海水中大量提取,氚可通过锂与中子反应生成)、环境友好(几乎不产生温室气体和长寿命放射性废物)、安全性高(不存在核裂变反应堆的堆芯熔毁等严重事故风险)等显著优势,被视为解决未来能源危机的理想选择之一,成为全球能源研究领域的焦点。
核聚变研究历经数十年发展,取得了诸多重要成果。从早期对核聚变原理的初步探索,到如今大型实验装置的建设与运行,人类在实现可控核聚变的道路上不断迈进。国际热核聚变实验堆(ITER)项目便是这一领域的标志性成果,旨在集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果,首次在地球上实现能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆,全面验证聚变能源和平利用的科学可行性和工程可行性,为后续商业聚变堆的建设奠定坚实基础。
在ITER项目中,离子回旋加热(ICRH)是托卡马克等离子体加热的重要手段之一,可为ITER等离子体提供40MW的总加热功率。离子回旋加热天线作为ICRH系统的关键部件,其性能直接影响到加热效果和等离子体的运行状态。为了提高离子回旋加热天线的可维护性以及有效吸收运行过程中微波导体的热膨胀,在真空传输线上设计了多处柔性连接的微波滑动电接触。然而,这些微波滑动电接触在运行过程中面临着诸多严峻挑战。在ITERICRH微波滑动电接触运行前,整个部件需与ITER其他内部部件一同进行长时间的250℃高温烘烤出气,这对电接触材料的耐高温性能提出了极高要求。同时,其中一处微波滑动电接触设计电流达2kA,最大电流密度4.6kA/m,巨大的电流密度在运行时会产生严重的热沉积,极易造成电接触熔毁。因此,深入研究ITER离子回旋加热天线高性能微波滑动电接触关键技术,对于保障ITER装置的稳定运行、提高离子回旋加热效率、推动核聚变能源的实用化进程具有至关重要的意义。它不仅有助于解决当前微波滑动电接触面临的技术难题,还能为未来商业聚变堆的相关技术研发提供宝贵的经验和技术支撑,在核聚变能源发展的宏伟蓝图中占据着不可或缺的地位。
1.2ITER项目与离子回旋加热天线概述
ITER项目,即国际热核聚变实验堆计划,是由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方共同参与的全球规模最大、影响最为深远的国际科研合作项目之一。该项目自20世纪80年代中期开始筹备,旨在建造一个能产生大规模核聚变反应的托卡马克型实验反应堆,其目标是实现氘氚燃料的受控核聚变反应,产生净能量输出,从而验证聚变能源和平利用的科学和工程可行性。ITER装置主要由真空室、磁体系统、加热与电流驱动系统、诊断系统等多个关键部分组成。其中,真空室用于约束高温等离子体,磁体系统产生强大的磁场以实现对等离子体的有效约束,加热与电流驱动系统则为等离子体提供能量使其达到核聚变所需的高温高压条件,诊断系统用于实时监测等离子体的各种参数。ITER项目的建设是一个庞大而复杂的系统工程,涉及到众多学科领域的前沿技术和全球范围内的科研力量协同合作,其建成后将成为人类探索核聚变能源道路上的一座重要里程碑,为后续商业聚变堆的设计、建造和运行提供关键的技术数据和实践经验。
离子回旋加热天线作为ITER加热与电流驱动系统的核心组件之一,其工作原理基于离子回旋共振加热机制。当向等离子体发射特定频率的高频电磁波时,若该频率与等离子体中某种离子的回旋频率相等,离子就会与电磁波发生共振,不断吸收电磁波的能量,从而使离子的温度升高,进而实现对等离子体的加热。在结构上,离子回旋加热天线通常由馈线、电流带、法拉第屏蔽等部分构成。馈线负责将射频功率传输到天线,电流带用于产生交变电流以激发电磁波,法拉第屏蔽则可防止电磁波泄漏到等离子体区域以外,确保加热过程的高效性和安全性。在ITER装置中,离子回旋加热天线起着至关重要的作用。它能够有效提升等离子体的温度和能量,使等离子体达到核聚变所需的条件,为实现可持续的核聚变反应提供必要的能量输入。同时,通过精确控制离子回旋加热天线的发射频率和功率,可以灵活调节等离子体的参数,优化等离子体的运行状态,提高核聚变反应的效率和稳定性,是ITER装置实现其科学目标不可或缺的关键部件。
1.3微波滑动电接触技术研究现状
在国内,相关科研机构和高校对微波滑动电接触技术展开了广泛而深入的研究。中国科学院合肥物质科学
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