法国的超导托卡马克装置：WEST

2024年上半年，法国超导托卡马克装置WEST创造了一项记录：在5,000万摄氏度的稳态温度下，成功将等离子体持续运行了364秒。这一成就标志着法国在核聚变研究领域取得了新的突破。据悉，这一相关实验活动从2024年1月开始，已于4月26日结束。下一次实验活动预计将于今年秋季开始，届时将会应用新的ECRH系统。

一、装置概览

WEST(W Environment in Steady-state Tokamak)，即钨环境下的稳态托卡马克装置，由法国原子能和替代能源委员会(CEA)下属的磁约束聚变研究所(IRFM)设计制造。其前身Tore Supra Tokamak装置于1988年开始运行，是世界上第一个集成了所有产生长脉冲等离子体所需技术的大型托卡马克，包括超导磁体和冷却系统、主动冷却的等离子体第一壁部件、加压水循环、强大的加热和电流驱动系统、泵限制器以及实时保护和控制能力。2013-2015年，法国对Tore Supra进行了改造升级，将等离子体和限制器配置从圆形变为D形，并用钨代替碳作为面对等离子体的材料，Tore Supra装置随即也更名为WEST。

CEA(Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives)，即法国原子能和替代能源委员会，最早成立于1945年10月，现有员工超过2万人，年度研发经费预算超过59亿欧元。CEA由法国政府资助，主要从事能源、国防和安全、信息技术和卫生技术等领域的研究开发。具体包括：核反应堆的设计，集成电路的制造，放射性同位素治疗疾病的使用，地震学和海啸的传播，计算机系统安全等方面。

IRFM(Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique)，是CEA下属的磁聚变研究所。该研究所位于卡达拉舍，临近ITER项目。IRFM因其在长脉冲等离子体和相关技术方面的专业知识而受到国际科学界的认可。IRFM研究活动围绕三个方面进行：

1.为ITER项目和“Broader Approach”项目(包括JT-60SA、IFERC和IFMIF-EVEDA)的实施做出贡献

2.通过控制和实验活动与理论和建模，准备为ITER的科学操作做准备

3.为未来的聚变反应堆奠定基础

二、预期目标

WEST主要是用来获得类ITER偏滤器组件的批量生产和质量控制经验，并在ITER之前验证钨环境下的等离子体运行等关键技术，从而为ITER装置的建设和后续运行奠定基础。总的来说，WEST主要科学目标有两个：

1.为ITER解决主动冷却、全钨偏滤器的运行技术问题

2.掌握金属第一壁条件下等离子体壁平衡时间尺度内的等离子运行方案

三、突出特点

-采用全钨偏滤器：采用全钨作为偏滤器材料，发挥钨具有耐高温且不吸收氚的优势。

-具备长脉冲运行能力：能够进行长达1,000秒的长脉冲运行，为研究聚变反应的稳态操作提供了条件。

-具备高热通量承受能力：能够承受高达10MW/m²的热通量，与ITER预期热负载相似。

-主动冷却系统：配备了主动冷却系统，用于监测和保护面对等离子体的部件(PFCs)，确保安全运行并提供关键数据用于等离子体与壁相互作用(PWI)的物理研究。

-多种射频加热和电流驱动系统：应用离子回旋共振加热(ICRH)、低杂波电流驱动(LHCD)、电子回旋共振加热(ECRH)，能够实现高粒子通量和高功率的等离子体加热。

-独特的X射线探测器：配备了独特的X射线探测器，用于改进对等离子体辐射特性的测量。

四、核心参数

WEST核心参数为：等离子体大半径2.5m、小半径0.50m，环向等离子体磁场最高3.7T，等离子体电流1MA，等离子体放电时间最长可以持续1000S，等离子体体积17立方米，辅助加热功率达到17MW(9MW的ICRH、1MW的ECRH、7MW的LHCD)。

另外，其前身Tore Supra核心参数：等离子体大半径2.25m、小半径0.70m、环向等离子体磁场最高4.5T、等离子体电流1.7MA、辅助加热功率达到20MW。

五、发展里程碑

-1976年，Tore Supra初始研究开始。

-1980年，Tore Supra建造工作启动。

-1982-1988年，步入线圈制造和磁体组装阶段。

-1988年，Tore Supra开始运行并产生第一个等离子体。

-1993年，Tore Supra实现120秒的长脉冲放电，等离子体温度达到2,000万摄氏度，成为世界上首个实现高参数准稳态运行的托卡马克装置。

-1996年，Tore Supra以280MJ的循环能量成功将等离子体持续运行了2分钟。

-2001-2002年，Tore Supra进行升级改造。

-2003年12月，Tore Supra成功将等离子体维持了390秒，创造了新的记录。

-2008年，Tore supra首次应用具备视觉诊断功能的AIA机器人。

-2013年，Tore Supra开始拆卸，并宣布更名为WEST，旨在研究全钨偏滤器在长时间等离子体运行中的表现。

-2013年6月，第一批WEST组件开始生产。

-2014年10月，真空容器第一批组件开始组装。

-2016年12月，WEST首次产生等离子体。

-2017-2019年，WEST进行了第一阶段的运行，共进行了4次实验活动(C1-C4)。这一阶段，WEST下偏滤器由ITER级PFU和惯性冷却的涂层石墨PFU组成。

-2023年6月，WEST第二阶段活动开始。

-2024年5月，WEST在5,000万摄氏度的稳态温度下，成功将等离子体持续运行了364秒。

六、中国合作伙伴

我国中国科学院等离子体物理研究所(ASIPP)与核工业西南物理研究院(SWIP)曾参与了WEST装置部件研制。