核聚變是兩個(gè)輕原子核聚合，生成新的更重原子核的過程，其反應(yīng)釋放的能量巨大。因該過程同太陽的發(fā)光發(fā)熱過程一致，可控核聚變裝置又稱為人造太陽。隨著全球能源需求激增和化石能源的不可持續(xù)性，可控核聚變被視為人類實(shí)現(xiàn)“能源自由”的終極解決方案。

托卡馬克裝置（Tokamak）作為一種重要的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在全球能源研究領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。中國在托卡馬克裝置的研發(fā)和應(yīng)用方面取得了顯著成就，為人類探索可控核聚變能源貢獻(xiàn)了重要力量。

一、中國·托卡馬克裝置

中國對托卡馬克裝置的研究起始于 20 世紀(jì) 60 年代，歷經(jīng)多年技術(shù)沉淀與探索，逐步構(gòu)建起完善的研究體系，并取得了多項(xiàng)重要突破。以下是我國托卡馬克裝置的核心代表。

1、中國環(huán)流二號(hào)M裝置（HL-2M）

▍技術(shù)地位：中國環(huán)流二號(hào)M裝置（HL-2M）是我國規(guī)模最大、參數(shù)最高的托卡馬克裝置，由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院研制。該裝置于2020年實(shí)現(xiàn)首次放電，并在2022年等離子體電流突破100萬安培，創(chuàng)造了中國可控核聚變裝置運(yùn)行的新紀(jì)錄。中國環(huán)流三號(hào)的建成和運(yùn)行標(biāo)志著中國在托卡馬克裝置技術(shù)方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

▍國際合作：2023年作為ITER衛(wèi)星裝置向全球開放，推動(dòng)國際聚變數(shù)據(jù)共享與聯(lián)合實(shí)驗(yàn)。

2、東方超環(huán)（EAST）

▍技術(shù)地位：東方超環(huán)（EAST）是中國自主研發(fā)的世界上首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院設(shè)計(jì)。2006 年，EAST 成功放電，其獨(dú)特的非圓截面設(shè)計(jì)極大提升了對等離子體的約束能力，有效提高核聚變反應(yīng)效率。

? 2018年首次達(dá)成1億攝氏度等離子體運(yùn)行，接近未來聚變堆的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件。

? 在類似國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）條件下，實(shí)現(xiàn)60秒穩(wěn)態(tài)高約束模運(yùn)行，為ITER提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

? 2025年1月，實(shí)現(xiàn)1066秒長脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，刷新世界紀(jì)錄。

3、中國聯(lián)合球形托卡馬克（SUNIST-2）

▍技術(shù)地位：SUNIST-2 是國內(nèi)目前磁場最強(qiáng)、等離子體性能最高的球形托卡馬克，由清華大學(xué)工程物理系設(shè)計(jì)、陜西星環(huán)聚能科技有限公司和清華大學(xué)聯(lián)合建設(shè)。該裝置于2023年7月建成并開展了首輪運(yùn)行，獲得100千安培等離子體電流。

4、洪荒70

技術(shù)地位：洪荒70 是全球首臺(tái)全高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置，由國內(nèi)首家聚變能源商業(yè)公司能量奇點(diǎn)研發(fā)建造，并于2024年6月成功實(shí)現(xiàn)等離子體放電。洪荒70 建成運(yùn)行，在全球范圍內(nèi)率先完成了高溫超導(dǎo)托卡馬克的工程可行性驗(yàn)證，標(biāo)志著我國在高溫超導(dǎo)磁約束聚變這一關(guān)鍵領(lǐng)域取得先發(fā)優(yōu)勢。

5、玄龍-50U

技術(shù)地位：玄龍-50 是我國首座中等規(guī)模球形托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置，由新奧公司自主設(shè)計(jì)建造，穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)運(yùn)行4年后，于2024年升級為“玄龍-50U”，快速躋身大型磁約束實(shí)驗(yàn)平臺(tái)先進(jìn)行列。

二、技術(shù)優(yōu)勢

▍超導(dǎo)磁體技術(shù)創(chuàng)新

EAST 的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)在自主研發(fā)過程中，攻克了超導(dǎo)磁體在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性、高場強(qiáng)實(shí)現(xiàn)等難題。通過優(yōu)化超導(dǎo)材料性能、改進(jìn)冷卻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)磁場下的低損耗運(yùn)行，為長時(shí)間約束高溫等離子體提供可靠保障。

▍等離子體加熱技術(shù)革新

中國科研人員在多種加熱技術(shù)上取得突破。射頻波加熱技術(shù)通過精確控制，提高能量耦合效率；中性束注入加熱技術(shù)不斷優(yōu)化，提升中性粒子注入能量與效率，大幅提升等離子體加熱效果。

▍多技術(shù)路線并行

中國同時(shí)推進(jìn)磁約束（EAST、HL-2M）與慣性約束（如神光系列激光裝置）研究，形成互補(bǔ)的技術(shù)生態(tài)。

托卡馬克裝置的運(yùn)行依賴于復(fù)雜的大功率電源系統(tǒng)、超導(dǎo)線圈和等離子體控制等技術(shù)，這就對電源設(shè)備提出了嚴(yán)格要求。電源設(shè)備不僅需支持兆瓦級低雜波電流驅(qū)動(dòng)、中性束注入等高功率系統(tǒng)，還需具備極高的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)能力。對于大功率電源行業(yè)而言，參與聚變技術(shù)研發(fā)既是挑戰(zhàn)，更是搶占未來能源高地的戰(zhàn)略機(jī)遇。

大功率電源在托卡馬克裝置中具有多方面不可替代的關(guān)鍵作用，包括不限于：

▍磁場約束

為環(huán)向場電源和極向場電源提供強(qiáng)大功率，生成高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性的磁場位形，實(shí)現(xiàn)對高溫等離子體的有效磁約束，使其在有限空間內(nèi)進(jìn)行熱核反應(yīng)。

▍等離子體加熱

通過射頻加熱電源、中性束注入電源等，將大量能量耦合到等離子體中，使其溫度升高至億度量級，達(dá)到核聚變反應(yīng)所需的極端條件。

▍電流驅(qū)動(dòng)

為歐姆加熱電源等提供支持，驅(qū)動(dòng)并維持等離子體電流，產(chǎn)生自舉電流，進(jìn)而維持等離子體的平衡和約束，確保核聚變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。

▍輔助系統(tǒng)供能

為真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等輔助設(shè)備供電，保障這些系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為托卡馬克裝置營造穩(wěn)定的工作環(huán)境。

中國的托卡馬克裝置不僅是科學(xué)探索的里程碑，更是一場涉及超導(dǎo)技術(shù)、大功率電源、材料科學(xué)的系統(tǒng)工程競賽。隨著EAST和HL-2M的持續(xù)突破，中國正從“跟跑者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦I(lǐng)跑者”，為人類終極能源夢想提供“中國方案”。

國內(nèi)合肥、武漢、成都等地的科研單位，運(yùn)行著多個(gè)托卡馬克裝置。森木磊石作為武漢的科技型高新技術(shù)企業(yè)，積極投身我國托卡馬克裝置建設(shè)，已有多款數(shù)字電源及系統(tǒng)落地應(yīng)用，為我國核聚變技術(shù)發(fā)展貢獻(xiàn)森木磊石力量。

1、直流高壓電源

▌采用高頻諧振軟開關(guān)技術(shù)，提高功率變換效率；

▌具備高充電精度與高可靠性；

▌具備強(qiáng)抗電磁干擾能力；

▌內(nèi)置完善的保護(hù)機(jī)制；

▌支持本地和程控模式，允許用戶對輸出電壓和電流進(jìn)行全范圍調(diào)節(jié)。

產(chǎn)品應(yīng)用于供電系統(tǒng)、半導(dǎo)體行業(yè)、粒子加速器、真空微波電子管，雷達(dá)，通信設(shè)備、電容充電、大功率脈沖源、熔噴布靜電駐極、除塵設(shè)備等。

2、脈沖電源

▌具有快速的脈沖信號(hào)上升沿和下降沿，可快速進(jìn)行響應(yīng)；

▌具備實(shí)時(shí)故障監(jiān)測功能；

▌配備顯示屏，直觀展示數(shù)據(jù)；

▌用戶可以靈活調(diào)節(jié)脈沖數(shù)值，支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。

產(chǎn)品應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)、空氣凈化、火花等離子燒結(jié)、高壓充電、高壓放電、納米材料制備、染料廢水處理等領(lǐng)域。

3、陽極高壓電源

▌具有us級快速響應(yīng)能力和全面的保護(hù)功能；

▌超過90%的效率和大于0.98的功率因數(shù)；

▌過充<1%，頂降<1%，輸出穩(wěn)定；

▌支持長脈沖運(yùn)行和高頻率調(diào)制；

▌支持本地和遠(yuǎn)程控制，兼容RS485和以太網(wǎng)通訊接口。

產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)60kV/1A的輸出，適用于X射線設(shè)備、核能工業(yè)，醫(yī)療設(shè)備，高能物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。

4、PSM高壓電源系統(tǒng)

▌電源效率高達(dá)97%以上；

▌具備自動(dòng)閉環(huán)控制功能，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)PSM模塊的開通個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確的輸出電壓調(diào)節(jié)；

▌采用特殊設(shè)計(jì)減少輸出電壓紋波；

▌支持穩(wěn)態(tài)和脈沖兩種工作模式，脈沖頻率0-10KHz可調(diào)；

▌每個(gè)模塊配備獨(dú)立且完善的保護(hù)功能及故障存儲(chǔ)和顯示功能。

產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)8MW的大功率輸出，適用于可控核聚變研究、高能物理實(shí)驗(yàn)、醫(yī)療設(shè)備供電、工業(yè)自動(dòng)化控制、電磁波探測等領(lǐng)域。

5、高頻逆變式高壓電源系統(tǒng)

▌采用高頻逆變技術(shù)、高頻高壓隔離變壓器研制技術(shù)和超級電容儲(chǔ)能供電技術(shù)；

▌采用超高壓絕緣工藝，多模塊錯(cuò)相輸出；

▌絕緣性能優(yōu)良，絕緣電壓大于200kV；

▌具備全面的保護(hù)功能及故障快恢復(fù)/停機(jī)模式；

▌模塊化設(shè)計(jì)，適配不同的輸出電壓、輸出功率組合配置，最高支持256個(gè)模塊，且單模塊可獨(dú)立配置投入運(yùn)行；

▌支持輸出曲線編輯功能，最高支持32段電壓運(yùn)行曲線編輯；

▌在線狀態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)。

產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)MW級輸出，適用于等離子體加熱和控制、可控核聚變研究、高能物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。

目前，中國的托卡馬克裝置研究已取得不凡的成就，但距離核聚變能源商業(yè)化應(yīng)用仍有漫長征程。隨著不斷對托卡馬克裝置的升級改造與實(shí)驗(yàn)研究，相信在不久的將來，核聚變能源將從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)，為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力，開啟全新的能源時(shí)代。

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