星环聚能技术方案
可控核聚变具有原料储量无限、装置固有安全、零碳排放、无高放射性废物等诸多优点,一直被视为人类能源的终极解决方案。可控核聚变将帮助人类社会显著降低、乃至彻底摆脱对于化石燃料的依赖,是人类实现可持续发展的重要路径。

近年来,以高温超导带材等新材料的工业化生产为契机,实现紧凑型可控核聚变商业化应用的工程条件已然成熟。公司创始团队依托二十多年的研究成果和经验积累,在高温超导强磁场球形托卡马克的基础上,采用了以多冲程重复运行、等离子体电流自有磁场重联加热等为特点的紧凑型重复重联可控聚变技术方案,预期可在相对紧凑的尺寸内实现高效、稳定、经济的聚变能输出。
球形托卡马克
球形托卡马克(Spherical tokamak)是托卡马克的变体,环径比小于2,等离子体自然拉长
球形托卡马克具有与托卡马克一致的简单结构和对称性。理论和大量实验证明,球形托卡马克的磁流体力学稳定性和约束性能更好,可以达到数倍于传统托卡马克的等离子体比压(磁场利用效率和经济性的重要指标)。球形托卡马克还具有更友好的约束定标率,约束性能随磁场增加而明显提高,可以在适中的磁场下得到相当高的能量约束时间。
由于结构紧凑,在相同尺寸下,球形托卡马克等离子体体积占比更高,堆功率更高,经济性优势明显。
由于可以承载更高的电流,球形托卡马克等离子体环的磁场储能更多,更容易实现高功率的磁重联加热。
磁重联加热
磁能转化为粒子动能的过程
磁重联(magnetic reconnection)是等离子体中一种磁场线拓扑突然变化的过程,经常发生在空间和实验室等离子体中,造成诸如太阳耀斑爆发、日冕物质抛射和托克马克锯齿振荡等物理现象。由于能量守恒,磁场储存的能量由于磁场线的重新排布而释放至等离子体中,转化为等离子体的内能。
星环聚能利用球形托卡马克多个极向磁场线圈,感应产生两个等离子体环,并推动它们融合成一个主等离子体。在此过程中,等离子体环产生的磁场发生大规模的磁重联,快速而高效地加热等离子体至聚变反应温度。
与主流托卡马克路线相比,该方案仅需要使用若干组线圈即可完成等离子体加热,复杂性和难度显著低于大功率负离子源中性束系统和大功率毫米波系统,经济竞争力极强,运行难度也大幅降低。
短脉冲重复运行
以类似于多冲程内燃机的运转模式不断重复磁重联
磁重联是一个一次性过程。重联结束,对等离子体的加热就会停止。为持续地获得聚变能,通过设计恰当的电源,星环聚能的聚变堆将以类似于多冲程内燃机的模式运转,不断地重复磁重联,周期性地输出聚变能。

虽然只有一个冲程做功,但通过控制一回路工质的流量,配合储热设施,可以实现能量的平稳输出。也可以通过组建多个聚变堆(类似多缸发动机)来平稳地输出能量。这种方式避免了长脉冲连续运行时难以避免和预测的不稳定性,也降低了装置的复杂度和建造成本。
高温超导
高温超导为打破聚变堆紧凑化的瓶颈提供了关键技术
某些金属氧化物材料在较高的温度下(-196℃)就会达到超导状态,这就是高温超导(临界温度一般在 77 K以上)。高温超导材料制成的线圈容许的磁场和电流密度都很高,大幅减少了磁场线圈在球形托卡马克中心柱内占用的空间,让较强磁场的球形托卡马克仍然有充足的空间安放中子屏蔽层等未来聚变堆必备的部件,解决了球形托卡马克作为聚变堆的主要障碍。
技术方案完整版视频
快速经济地实现聚变能
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