2024年8月4日，著名的科技新闻网站《Interesting Engineering》发布了一篇引人注目的新闻稿，题为“Fusion energy breakthrough: Neutron impact on tokamak components uncovered”。这篇文章揭示了中子辐射如何影响托卡马克聚变装置的关键组件——晶闸管，为我们理解和提高聚变反应堆的稳定性与安全性提供了宝贵的知识。
晶闸管控制着产生和维持核聚变所需的极端条件所需的大电流。
一、中子辐射损坏晶闸管
核聚变领域因关于中子辐射如何损坏大功率晶闸管的新合作研究而获得了重大推动。大功率半导体器件，特别是晶闸管，是托卡马克聚变装置中电源系统的关键器件。通过了解晶闸管暴露在中子辐射下时的劣化情况，科学家可以为聚变反应堆制造更强大的组件。
中国科学院合肥物质院等离子体所与合肥工业大学电气与自动化工程学院合作，在14.1 MeV高能聚变中子辐照下大功率晶闸管材料、电特性损伤研究方面取得新进展。研究团队构建了高能聚变中子的特性参量与大功率晶闸管晶格缺陷特性、电性能损伤及单粒子烧毁间的量化构效关系，揭示大功率晶闸管在高能中子辐照下的损伤机理。
相关成果发表于核科学与技术领域顶级期刊《Nuclear Science and Techniques》。
不同辐照缺陷下大功率晶闸管阻断电压与电流密度变化曲线
(a)线性关系 (b)对数关系
研究强调：“大功率晶闸管因其经济性和适用性，被广泛应用于大型聚变装置的电源系统。”该合作研究小组由合肥物质科学研究院李华副教授和合肥工业大学童伟博士领导。
高功率晶闸管对托卡马克聚变反应堆至关重要，因为它们控制着产生和维持核聚变所需的极端条件下的大量电流。此外，它们还是超导磁体发生突然失超时的保护系统的一部分，可在发生突然故障时保护超导磁体。然而，“当氘-氚（D-T）聚变反应产生的高剂量中子长时间照射晶闸管装置时，该装置的电气特性会发生变化，”研究解释道。这可能会导致晶闸管永久性损坏。
二、数学模型
该团队开发了一个数学模型来将将晶闸管的关键参数与中子暴露导致的退化关联起来，例如载流子寿命、迁移率和阻塞电压。
“我们进行了模拟和实验来验证该模型并揭示电气参数的退化。”研究人员强调说：“我们进行了一系列有针对性的晶闸管物理模拟和中子辐照实验，以验证理论分析的准确性。”
重要的是，该研究还调查了辐照晶闸管的性能变化如何影响聚变反应堆的安全保护系统。研究表明，损坏的晶闸管中漏电流的增加可能会导致这一关键的安全机制失效，进而危及超导托卡马克。
三、对核聚变反应堆的影响
这项研究提供了有关晶闸管在富含中子的环境中性能下降的重要见解。它强调了增强聚变反应堆保护系统可靠性的必要性。
李华副教授指出：“我们的研究为提高聚变反应堆保护系统的可靠性提供了基础支持和进一步的研究方向。”李华副教授和童伟博士开展的研究可能对未来聚变反应堆的发展产生重要影响。通过了解大功率晶闸管的中子损伤机理，研究人员可以开发出更耐辐射损伤的新材料和设计。
四、中国在 ITER 磁体电源系统中的优化设计
紧承上文对晶闸管重要性的讨论，我们可以看到，中国科学家对电源系统的优化设计具有至关重要的意义。2022年，深圳大学与中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的专家团队，在他们的论文《ITER 聚变装置及其电源系统》中，详细阐述了中国在提升电源系统稳定性和性能方面的突破性进展。论文中提出的外旁通设计、晶闸管整流桥的优化改进，以及变流器单元的串联顺序控制策略。
ITER 主要线圈的变流器电源结构示意图，摘自论文《ITER 聚变装置及其电源系统》
自2005年起，中国正式参与了ITER项目中的电源系统研发工作。原先的FDR2001设计方案在内旁通和故障抑制方面存在较大的风险和设计上的不足，具体表现在：超导磁体电源系统中的内旁通功能异常；故障抑制能力未能达标；以及系统中存在过电压和低频振荡的问题。
面对这些设计上的风险和缺陷，国内科研人员提出了以下优化方案：
1. 通过引入外旁通机制替代原有的内旁通设计，为超导线圈电流提供了一个稳定的持续通路，显著增强了系统的安全性与可靠性，如图4所展示。
外旁通优化设计，摘自论文《ITER 聚变装置及其电源系统》
2. 使用晶闸管整流桥的反并联配置替代了先前的晶闸管反并联设计，这减少了系统在最大故障情况下的电流（从440 kA降至320 kA），从而提升了系统的故障抑制能力，如下图所示。
晶闸管整流桥优化设计，摘自论文《ITER 聚变装置及其电源系统》
3. 实施了多个变流器单元的串联顺序控制策略，有效降低了系统的最大无功需求，减少了大约30%，即从约1000 MVar降至大约750 MVar。无功需求的降低有助于减轻系统在甩负荷时的过电压和低频振荡问题，如图6所描绘。
串联顺序控制结构，摘自论文《ITER 聚变装置及其电源系统》
在探索聚变能源的征途上，中国科研人员展现了自己的实力和创新精神。让我们期待中国科研人员继续以扎实的工作和不懈的努力，为实现清洁能源的转型和科技进步作出更大的贡献。
参考链接：
- https://interestingengineering.com/energy/fusion-energy-neutron-impact-on-tokamak
- https://www.energychina.press/cn/article/doi/10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.02.002
- https://mp.weixin.qq.com/s/79p22ErCEEY1ZGxb_Ukaig