印度聚变堆研究发展

印度将聚变能源视为长期能源供应的重要组成部分，并且希望到本世纪中叶，建成国内聚变示范项目。

1、印度托卡马克设施

2020年1月，印度第一台托卡马克装置——Aditya——完成了30年的安全运行。

在这30年里，印度在核聚变研究方面的投资虽然有限，但仍保持稳定。

除了创造一些托卡马克“资产”，如Aditya和稳态超导托卡马克(SST-1)，印度的聚变相关活动一直高度集中于国内子系统的开发。

自20世纪80年代以来，印度在与先进托卡马克相关的子系统开发和基础研究方面迅速发展，使其成为国际热核实验堆(ITER)项目的主要合作伙伴，该项目预计将产生世界上最大的托卡马克反应堆。

印度原子能部(DAE)认为，聚变能源是该国长期能源安全的一个重要组成部分，其目标是资助一些示范项目建设，以期在2050年前建成两座1000MW且完成并网的聚变反应堆。

在印度，由DAE支持的主导聚变研究的主要组织是等离子体研究所(IPR)。其主校区位于甘迪纳加尔。

印度自主研发的托卡马克主要位于IPR区域，从日本进口的装置位于加尔各答可变能量回旋加速器中心。

IPR的领军人物是已故的Predhiman K Kaw，他推动这个新兴组织直接跳到当代托卡马克技术前沿，而不是追求那些被证明是不太有希望的方法。

在Kaw的领导下，IPR最初只是印度科技部的一个小项目，后来成功地成为了一个成熟的研究所。

1989年，IPR制造了印度第一台名为Aditya的托卡马克设施，同年进行Aditya的第一次“射击”。

2、Aditya

Aditya是一个托卡马克装置，其铜线圈的主半径为0.75米，小半径为0.25米。其设计用于产生圆形等离子体，并在0.75-1特斯拉(T)的环形场中运行，最大等离子体电流为250kA，脉冲持续时间高达250毫秒。

其加热和电流驱动，主要由离子回旋共振加热(ICRH)、电子回旋共振加热(ECRH)和低杂波电流驱动(LHCD)组合提供。

除了成为国内相关人力资源开发基地，Aditya还为IPR带来了丰厚的科学红利。

在托卡马克离子流研究中，IPR获得了一些非常重要的结果，这些结果对全球托卡马克的努力具有重要意义。

Aditya是第一个稳定传输等离子体(不会稳定泄露)的托卡马克设施。

通过在Aditya实验也研究出缓解等离子体不稳定性问题的重要方法和手段，如磁流体力学产生的干扰和失控。

另一方面，干扰会导致等离子体储存的热能和磁能迅速流失，这反过来又需要引入缓解系统，保护面向等离子体的组件(PFC)免受热流和由此产生的力的影响。

干扰还可能导致产生非常高能量的电子或“逃逸”，进而导致托卡马克的第一道壁(即PFC)熔化，随后水冷却回路发生泄漏。

为了确保Aditya继续运行研究，决定将其升级为偏滤器构型，以便用与当代托卡马克设计相关的成形等离子体进行实验。

这一举措背后的理念是，中小型托卡马克是测试新概念、新技术和新材料的便利工具，考虑到其中的风险，如果没有初步研究，就无法在大型机器上进行。

3、Aditya-U

实际上，很少有中小型托卡马克具有提供大型先进托卡马克相关实验所需的先进功能。

因此，Aditya-U(字面意思是Aditya升级)诞生了，其组装工作于2016年12月完成，从2017年1月开始运营。

与旧型号相比，Aditya-U除了三套偏滤器线圈外，还有一个圆形X形截面真空容器和屈曲筒、安全环和极向环限制器、环形带限制器。

对偏滤器配置的修改，是通过将方形横截面真空容器替换为圆形X截面类型来实现，为偏滤器线圈创造了空间。

在该设计下可以达到高温(45 keV或大约5亿度)，并展示出良好的动力排气效率。

Aditya-U已经取得了一项对ITER具有重要意义的成果。发射Li2TiO3颗粒的电磁颗粒注入系统已被成功证明是一种可行的中断控制方法。

在Aditya-U中，通过使用抑制等离子体边缘密度和潜在波动的周期性气流，也证明了对逃逸电子的显著抑制。

4、SST-1

IPR更大的托卡马克——SST-1——从一开始就配备了偏滤器配置，其设计目的是探索稳态放电中等离子体与托卡马克第一壁之间的相互作用。

SST-1的主半径为1.1m，小半径为0.2m，延伸率为1.7，三角度为0.4–0.7，环形场为3T，等离子体电流为220kA。

辅助加热和电流驱动使用LHCD机制进行，而主加热通过ICRH和中性束注入(NBI)进行。

SST-1当然有超导磁线圈，而不是Aditya-U上的铜线圈。SST-1是一种稳态电流驱动和热量及粒子排气装置，所有这些都有助于长脉冲运行。

从2019年10月开始，SST-1进行了短期升级，包括安装一对PF-3电流引线(中等形状等离子体所需)，主要是用于交替预电离和启动实验以及各种诊断的射频(RF)螺旋天线组件。

目前正在SST-1上研究是否可以通过改变回路电压来实现较低的混合吸收，正如在日本TRIAM等其他托卡马克装置中观察到的那样。

使用单长脉冲LHCD和多短脉冲LHCD在SST-1中获得了约650ms的长时间等离子体放电。

尽管SST-1由本土和进口系统组成，但自建立以来，IPR一直在加紧工作，以确保其现有资产的未来系统和升级包使用国内采购的组件执行。

例如，虽然SST-1的原始导体在20世纪90年代末从日本进口，但现在可以从国内获得。

因此，IPR与印度工业界合作的子系统开发工作，主要在国内采购，诸如大容量超高真空(UHV)系统、铜和超导磁体、低温系统(液氦和液氮基)、用于低温测试的大型低温恒温器、等离子体表面清洁方法、大电流脉冲成形稳压电源、控制、监控和数据采集系统、等离子体诊断、超高功率射频加热和电流驱动系统以及用于加热和电流驱动的中性束系统。

印度参与ITER也在很大程度上推动了这一进程，新德里将重点放在磁铁、偏滤器和低温泵送系统领域的国内开发工作上。

5、ITER-印度

印度对ITER的贡献被称为“印度国际核聚变实验堆(ITER-India)”，目前正在作为一个特殊项目在IPR下运行。

2005年12月，印度成为ITER的第七个正式成员国，在总共150项不同的采购中，有10%的“实物”贡献份额。

印度的Larsen&Toubro提供了ITER的低温恒温器，这是世界上最大的真空应用不锈钢容器，重3850吨，高30米，直径30米。低温恒温器安装于2020年。

印度国际热核实验堆还负责提供许多其他关键部件和子系统，如ITER低温设备的低温管路和低温分配系统;墙内屏蔽，需要从70,000块精密切割板中取出约9000块;冷却水和散热系统;ICRF源系统;诊断中性束系统，用于检测ITER等离子体D-T阶段的氦灰;等离子体诊断;DNB、ICRF和ECRF系统的电源;两个回旋管源，输出功率为1MW，频率为170GHz，脉冲长度为3600秒;X射线晶体光谱;电子回旋发射以及各种光纤、探测器、可见光谱仪和光机械部件。

参与ITER项目在印度引发了重大的包层和偏滤器技术开发计划。

特别是，在与托卡马克操作相关的极端环境中，识别能够提供长寿命和低感生放射性的特殊材料。

总杂质含量不超过0.1%的Cu-Cr-Zr合金已被开发为安装ITER中使用的PFC的背板材料。

除了对包层材料的研究，还有一个发展聚变燃料循环和氚系统的方向。

随着印度现在有信心扩大托卡马克的尺寸、场强、加热功率和脉冲长度，其发展目标不可避免地转向聚变反应堆的设计、材料和远程处理。

毕竟，印度的最终目标是能够建造一个经济、可靠、可维护的优化发电反应堆。

6、未来的SST-2计划

为了巩固通过国产托卡马克和参与ITER所取得的一切成果，印度聚变界现在期待着在2027年左右建造一个大型托卡马克聚变反应堆SST-2。

SST-2很可能是一个低聚变增益反应堆，其聚变功率输出为100-300MW，除氦冷却偏滤器外，还可能使用印度铅锂陶瓷增殖器和氦冷却陶瓷增殖器(HCCB)覆盖层进行氚增殖。

也可通过SST-2探索聚变-裂变混合方法，特别是考虑到印度的三级核计划，该计划的最终目标是从该国的钍-232矿床中培育大量铀-233裂变材料。

也将研究裂变反应堆产生的长寿命核废料的嬗变，以及在钍基亚临界裂变反应堆中使用聚变中子作为驱动因素的可能性。

SST-2以及从ITER运行中获得的成果将为印度自己的演示项目实现和鉴定与D-T聚变周期相关的技术落地铺平道路。

例如，IPR计划通过“用繁殖包层覆盖SST-2的板外侧，而板内侧用屏蔽包层覆盖”进行整体测试，其方式类似于在演示反应堆中进行的测试。

印度打算吸引外国合作伙伴从2037年开始建立示范反应堆。

聚变被视为一种利用几乎取之不尽、用之不竭的燃料供应源(由于海水中可以随时获得氘，而且有可能繁殖氚)，而且具有吸引力的安全特性和温和的环境影响，聚变可能会成为印度到2070年实现净零碳经济的一个因素。