南亚核聚变研究的翘楚:印度等离子体研究所IPR

· 探秘实验室

 

2024年9月16日,由印度负责维修的2块隔热罩部件正式开始安装,这标志着ITER项目真空容器的安装工作时隔两年再度重启。作为共建协议的重要缔约方之一,印度主要通过其国内的等离子体研究所(Institute for Plasma Research,IPR)参与到ITER项目中来,已承担的部件包括低温恒温器、中子屏蔽层、冷却水系统、低温系统、离子回旋加速器射频加热系统、电子回旋加速器射频加热系统等等。

broken image

一、基本概况

IPR,即印度等离子体研究所,成立于1986年,位于古吉拉特邦首府甘地讷格尔的萨巴尔马蒂河畔,是印度的磁约束核聚变的科研机构。研究所主要从事等离子体科学方面的研究,包括基础等离子体物理学、磁约束热等离子体研究以及工业应用的等离子体技术,并在ITER中发挥重要作用,同时也是IndiGO研究联盟成员之一。研究所由印度原子能部(Department of Atomic Energy)资助,现员工规模约700人。

broken image

印度著名的物理学家Predhiman Krishan Kaw是IPR的创始人及首任领导者,他出生于1948年,1966年在印度理工学院获得博士学位,随即远赴美国普林斯顿大学攻读博士后。1986年,Kaw教授创办了IPR并担任所长。2012年,Kaw教授离任。2017年6月逝世。

broken image

Department of Atomic Energy(DAE),即印度原子能部,是印度核研究的主管部门。研究领域包括三个阶段的核电计划、与医用回旋加速器相关的研究活动、超导磁体开发、不稳定稀有同位素束高级国家设施 (ANURIB)、核聚变技术的自主开发、粒子加速器相关技术、激光领域的研发活动、食品农业和固体废物管理、 海水淡化/净化衍生技术和核医学,涵盖放射性同位素,用于多种人类疾病的非侵入性诊断等。

broken image

二、研究领域

IPR致力于等离子体的基础研究科学和技术应用的开发,重点是磁约束聚变和等离子体辅助材料加工。IPR在理论等离子体物理学、计算机建模和模拟、超导磁体和低温学、超高真空技术、复杂的等离子体诊断系统、射频和中性束加热系统、高压工程系统、脉冲电源系统、基于计算机的数据采集和控制系统等领域具备领先地位。

三、组织架构

IPR下设FCIPT、ITER-India、CPP-IPR三大部门。

-Facilitation Centre for Industrial Plasma Technologies (FCIPT):即工业等离子体技术促进中心。FCIPT成立于1997年,致力于利用等离子体科学和相关技术的知识基础,旨在促进等离子体的商业开发通过开发、孵化、示范、制造实现技术转移从而实现等离子体的应用,为材料加工和环境修复产生先进的和非常规的基于等离子体的技术。

-ITER-India:代表印度为ITER项目提供装置部件。根据ITER协议,印度承担了9个采购包任务 ,包括真空室屏蔽、低温恒温器、水冷系统、低温配电器及低温管线、离子回旋射频(ICRF)功率源及离子回旋系统电源(ICPS)、电子回旋射频(ECRF)功率源及电子回旋系统电源(ECPS)、中性束诊断系统(DNB)及DNB电源、诊断系统等部件的生产制造工作。除此之外,ITER-India也在进行相关研发和实验活动。

-Centre of Plasma Physics-Institute for Plasma Research(CPP-IPR):即等离子体物理中心-等离子体研究所 。该中心最早可追溯至1991年,2009年并入IPR。

四、发展历程

-1978年,在环形装置上利用紧密电子束形成紧凑环形线圈和电子圆环,从而进行大功率等离子体实验,开展了印度聚变相关实验研究工作。

-1982年,等离子体物理计划(PPP)启动,印度的磁约束高温等离子体研究正式起步。

-1982年,印度首个托卡马克装置-Aditya的设计与工程技术研究工作启动。

-1986年,成立了等离子体研究所成立,作为隶属于印度科技部的独立的研究机构,开展核聚变与等离子体物理研究。

-1987年,Aditya建成。

-1989年,Aditya投入运行,印度磁约束等离子体托卡马克基础物理和等离子体诊断技术实验研究开始。

-1991年,等离子体物理中心CPP建成。

-1995年,印度政府计划投资35亿卢比,用于建造第二代超导稳态托卡马克(SST-1)。

-1998年,FCIPT并入IPR。

-2004年,SST-1顺利建成,开展稳态物理学和相关技术实验研究。

-2005年,印度以平等身份参与ITER计划,承担约9%的部件的制造工作。

-2006年,印度作为七个缔约方之一,签署ITER协议。

-2007年,印度联合内阁正式批准印度参与ITER计划,同时批准为该计划投资250亿卢比。

-2008年,印度组建ITER国内机构,开始实施承担的ITER任务。

-2009年,CPP并入IPR。

-2015年,Aditya拆除工作完成。

-2016年,Aditya-U建成,同年12月产生第一个等离子体。

五、聚变装置

1. Aditya tokamak:1989年投入运行的中型托卡马克装置,也是印度第一台托卡马克装置。主要用于进行磁约束等离子体托卡马克基础物理和等离子体诊断技术实验。核心参数为:大半径0.75m,小半径0.25m,环向场最大磁场为1.2T,等离子体电流0.25MA。2016年,Aditya被成功改造为Aditya-U,并在年底产生了第一个等离子体。此次升级包括了三套偏滤器线圈、一个圆形X形截面真空容器以及其他先进的设备,使得Aditya-U能够进行与当代大型托卡马克相关的成形等离子体实验。

broken image

2. Steady State Superconducting Tokamak(SST-1):2005年投入运行的中型稳态托卡马克装置,主要用来研究非感应电流驱动下的等离子体稳定性的限制、破裂、热不稳定性和垂直位移事件(VDE)等。装置核心参数为:大半径1.1m,小半径0.2m,环向场磁场为3T,等离子体电流0.22-0.33MA。SST-1运行计划分为两个阶段:

第一阶段:低约束模式(L模)运行,实现在环向场3T时达到稳态运行,持续1000s。

第二阶段:高约束模式(H模)运行,开展先进托卡马克运行研究。随着偏滤器系统和辅助系统的升级(3-4MW),目标产生先进的托卡马克位形。

broken image
broken image

3. SSST:建设中的小型球形托卡马克装置,用于研究等离子体起始和无感电流驱动。

4. Steady State Superconducting Tokamak-2(SST-2):设计中的托卡马克装置,旨在实现反应堆技术和D-T燃料循环。SST-2将采用Lead Lithium Ceramic Breeder(LLCB)和Helium-Cooled Ceramic Breeder(HCCB)包层进行氚增殖。装置设计指标是:能量增益系数Q=5,聚变功率输出约100MW,长脉冲运行达到1000s。装置设计参数为:大半径4.4m,小半径1.5m,环向场磁场为5.4T,等离子体电流11.2MA。

除了上述聚变装置外,IPR还设计建造了不少的等离子体研究装置,如环形组件的基本实验装置BETA、大容量等离子体装置LVPD、非中性等离子体装置SMARTEX-C、磁化线性等离子体装置等等,这些凸显了印度在等离子体研究领域具备很强的实力。

 

参考链接:

  • https://www.iter.org/newsline/-/4070
  • https://www.iterindia.in/indias-contribution-iter
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Institute_for_Plasma_Research
  • https://www.ipr.res.in/
  • https://www.ipr.res.in/documents/campuses.html