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俄罗斯积极推进GDML聚变反应堆设计研发

2026-04-17 10:06          俄罗斯 GDML聚变反应堆 俄罗斯

建造基于受控热核聚变(CTF)的反应堆是解决人类能源问题的雄心目标,研究人员已努力数十年。目前,世界多地正在建造或设计多个实验性聚变反应堆,规模最大的国际热核聚变实验堆(ITER)备受关注,俄罗斯聚变计划核心项目为托卡马克反应堆技术(TRT),同时还有一些基于其他聚变等离子体约束方案的本土项目。

俄罗斯科学院西伯利亚分院布德克核物理研究所(INP SB RAS)正在开发气体动态多镜面陷阱(GDML)设计,该装置作为联邦项目“热核能源技术”的一部分,旨在验证基于开放式磁阱建造经济环保型聚变反应堆的可行性。2025年,物理学家们完成了未来设施两个关键要素——中心部分的超导磁真空系统和末端膨胀机的磁真空系统的技术设计。

要使聚变反应堆中的燃料核有效反应,能量需对应约1亿摄氏度温度,如此高的临界温度会将燃料转化为等离子体。反应堆设计要确保能量产生物质维持所需温度、不因热应力损坏反应堆壁,还需将其约束在所需时间内。利用磁场(磁阱)进行隔热和等离子体约束是解决可控聚变问题的方法之一,磁阱有封闭式(托卡马克、仿星器)和开放式(镜像阱)之分,ITER、EAST、KSTAR和TRT都是托卡马克装置,开环磁系统是Norm、Hammir和Voyager聚变反应堆原型和设计的基础,俄罗斯科学院西伯利亚分院核物理研究所正在开发气体动力多镜阱(GDMT)项目以测试Voyager项目所需关键聚变技术。

GDML 的全尺寸 3D 模型。图片由 P.A. Bagryansky 提供。

利用开环磁阱约束等离子体达到聚变参数前景良好,其工程设计相对简单,还可使用氘氘等替代燃料,而ITER预计使用基于氘氚混合物的燃料,氚年产量有限且分配受控,氘则便宜且在普通水中含量丰富。

俄罗斯科学院西伯利亚分院等离子体物理研究所(INP SB RAS)是开放式磁系统创建和发展的先驱,运行着四套此类实验装置,在等离子体加热和约束时间方面成果显著,GDT实验实现了稳定的等离子体加热至1000万摄氏度,SMOLA将纵向粒子损失降低了数十倍,GDT项目正是基于这些成果和技术。

俄罗斯科学院西伯利亚分院核物理研究所高级研究员安东·苏德尼科夫称,GDML是一种具有抗磁约束的磁阱,融合了俄罗斯在受控热核聚变领域的所有成果。接下来将计算验证基于开放磁系统的聚变反应堆运行所需等离子体参数,并为未来装置及其组件制定技术设计。

目前,来自俄罗斯科学院西伯利亚分院物理研究所、俄罗斯科学院加波诺夫 - 格列霍夫应用物理研究所、SuperOx公司以及其他俄罗斯机构的六十多位物理学家和工程师正在参与GDML项目。到2025年,专家们已完成GDML第一阶段主要部件的技术设计,该设计包含所有已采用的技术方案以及关于部件几何形状、结构、性能和参数的数据。

GDML中心单元的磁系统和真空室。图片由P.A. Bagryansky提供。

安东·苏德尼科夫表示,为有效约束等离子体,阱中心区域磁场需达到1.5特斯拉,可通过低温超导体实现,磁塞磁场强度更高,但现代技术存在极限。GDML中心区域已成熟,可开始绘制部件图并送往高科技制造厂,膨胀器虽外观似大桶,但内部元件复杂,确保整个陷阱运作。

联邦项目“热核能技术”是俄罗斯国家项目“新型核能和能源技术”的一部分,于2025年至2030年实施,目标是为聚变和等离子体技术发展提供现代化研究基地,创造环境友好型能源,用于航天器强大等离子体发动机以及医学、机械工程等领域的创新材料和设备。


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