國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項2018年項目申報指引-國家科技部

1、附件國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項2018年度項目申報指南聚變能源由于資源豐富和近無污染，成為人類社會未來的理想能源，是最有希望徹底解決能源問題的根本岀路之一，對于我國經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，是關(guān)系長遠發(fā)展的基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域。本專項總體目標是：在“十三五”期間，以未來建堆所涉及的國際前沿科學和技術(shù)目標為努力方向，加強國內(nèi)與國際熱核聚變實驗堆”(ITER)計劃相關(guān)的聚變能源技術(shù)研究和創(chuàng)新，發(fā)展聚變能源開發(fā)和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，以參加TER計劃為契機，全面消化吸收關(guān)鍵技術(shù)；加快國內(nèi)聚變發(fā)展，開展高水平的科學研究；以我為主開展中國聚變工程實驗堆CFETR)的詳細工程設(shè)計，并結(jié)合以往的物理設(shè)

2、計數(shù)據(jù)庫在我國的“東方超環(huán)”(EAST)“中國環(huán)流器2號改進型”(HL-2M)托卡馬克裝置上開展與CFETR物理相關(guān)的驗證性實驗為CFETR的建設(shè)奠定堅實科學基礎(chǔ)。加大聚變技術(shù)在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用，大力提升我國聚變能發(fā)展研究的自主創(chuàng)新能力，培養(yǎng)并形成一支穩(wěn)定的高水平聚變研發(fā)隊伍。2018年，本專項將以聚變堆未來科學研究為目標加快國內(nèi)聚變發(fā)展，重點開展高水平的科學研究.CFETR關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研及聚變堆材料研發(fā)等工作，繼續(xù)推動我國磁約束核聚變能的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。按照分步實施、重點突岀原則2018年擬優(yōu)先支持13個方向，國撥總經(jīng)費3.5億元。指南方向19，每個指南方向擬支持12個項目。指南方向1013,

3、每個指南方向擬支持4個項目，國撥總經(jīng)費不超過4800萬元。本專項的項目執(zhí)行期一般為5年。原則上所有項目應(yīng)整體申報。指南方向19項目須覆蓋相應(yīng)指南研究方向的全部考核指標，下設(shè)課題數(shù)不超過5個，每個項目所含單位數(shù)不超過20個。指南方向1013的項目下不設(shè)課題。對于指南方向19，原則上只立1項，僅在申報項目評審結(jié)果相近、技術(shù)路線明顯不同的情況下，可同時支持個項目，并建立動態(tài)調(diào)整機制，根據(jù)中期評估結(jié)果確定后續(xù)支持方式。申報單位根據(jù)指南支持方向，面向解決重大科學問題、突破關(guān)鍵技術(shù)及建立規(guī)?；Y源共享平臺進行整體設(shè)計、合理安排課題；項目負責人應(yīng)具備較強的組織管理能力。1. 面向聚變堆的先進偏濾器位形實現(xiàn)和

4、控制方法研究研究內(nèi)容：面向CFETR，發(fā)展雪花、三叉(Tripod)等先進偏濾器位形的控制和識別技術(shù)。通過解決垂直不穩(wěn)定性控制及先進偏濾器位形的精確識別等關(guān)鍵問題發(fā)展基于雙X點連線長度和角度的控制算法,研發(fā)具備有效控制雙X點、多打擊點等復(fù)雜磁拓撲位形的先進控制系統(tǒng)。在大功率輔助加熱條件下，開展大拉長比、高三角形變的先進偏濾器位形實驗研究，掌握先進偏濾器位形的穩(wěn)定控制技術(shù)，為CFETR的工程設(shè)計和未來運行提供一3一技術(shù)支撐?？己酥笜嗽谳o助加熱功率大于4MW條件下實現(xiàn)具有雪花、Tripod先進偏濾器位形的等離子體運行實現(xiàn)X點及打擊點識別時間小于1毫秒，位置控制精度小于1厘米；實現(xiàn)大拉長比（1.51

5、.8）和高三角形變（0.20.6）先進偏濾器位形的等離子體控制；實現(xiàn)熱負荷控制小于10MW/m2穩(wěn)定運行。2. 面向CFETR的等離子體穩(wěn)態(tài)集成控制技術(shù)及實驗驗證研究內(nèi)容：建立能夠驗證CFETR穩(wěn)態(tài)運行要求的先進等離子體控制集成框架，以及與之相適應(yīng)的安全、控制、通訊和數(shù)據(jù)框架，并發(fā)展相關(guān)軟件；集成診斷、加熱及其它外部控制手段，研究發(fā)展托卡馬克等離子體控制模型和策略，實現(xiàn)對高性能等離子體性能和行為的控制，包括：位形、壓強、偏濾器熱負荷和磁流體（MHD）穩(wěn)定性等的控制以及破裂預(yù)警與防護開展相關(guān)實驗研究，探索等離子體動理學分布參數(shù)的主動控制方法和策略；在高參數(shù)下驗證等離子體控制模型，優(yōu)化和完善控制器

6、，運用先進的控制和人工智能技術(shù)建立高性能等離子體的穩(wěn)態(tài)運行平臺?？己酥笜耍航ǔ删哂凶灾髦R產(chǎn)權(quán)的托卡馬克等離子體控制及數(shù)據(jù)集成平臺；實現(xiàn)不少于2個獨立物理控制量（壓強、功率等）下的穩(wěn)定、長脈沖（大于200秒）高約束先行實驗，驗證控制系統(tǒng)和主要控制算法的可靠性、安全性和有效性；該控制系統(tǒng)需具備未來復(fù)雜工況下集成、安全預(yù)警、擴展等功能。3. 面向ITER/CFETR的高熱負荷控制及相關(guān)物理研究研究內(nèi)容：瞄準ITER/CFETR高約束、高熱負荷條件下等離子體運行的物理機制與運行控制問題開展研究。利用主動送氣、雜質(zhì)注入等手段，實現(xiàn)部分及完全偏濾器脫靶的高約束模運行；探索偏濾器熱沉積區(qū)展寬與主動調(diào)控靶板

7、熱負荷、粒子流的方法和機理；在不同第一壁材料的條件下探索解決10MW/m2量級熱負荷問題的實驗手段，并與芯部等離子體高約束性能運行模式相兼容；發(fā)展相關(guān)測量診斷開展熱沉積區(qū)展寬、脫靶產(chǎn)生機理、高約束運行模式與偏濾器兼容等關(guān)鍵物理問題研究，為TER及一5一CFETR在偏濾器高熱負荷條件下的高約束模式的穩(wěn)定運行提供科學和工程基礎(chǔ)?？己酥笜耍簩崿F(xiàn)半脫靶及全脫靶高約束模式beta_N>2.5,H98>1.0）的可靠控制運行；在大于5倍電流擴散時間尺度、初始98偏濾器靶板峰值熱負荷10MW/m2量級基礎(chǔ)上，提供至少兩種實現(xiàn)偏濾器靶板熱負荷降低50%以上的控制手段；在偏濾器熱負荷有效控制條件下，

8、芯部等離子體約束性能下降小于0%。4. 氘氚聚變等離子體中alpha粒子過程對等離子體約束性能影響的理論模擬研究研究內(nèi)容：針對ITER氘氚運行和CFETR物理設(shè)計需要，開發(fā)用于模擬alpha粒子物理及相關(guān)能量、粒子輸運過程的數(shù)值模擬程序，開展燃燒等離子體氘氚聚變條件Taipha粒子物理過程的理論、模擬研究，計算能量增益Q>5條件下alpha粒子密度空間分布剖面和能譜分布，分析alpha粒子物理過程對等離子體約束性能的影響。考核指標：開發(fā)岀可模擬ITER/CFETR氘氚聚變等離子體的混雜數(shù)值模擬程序，模擬alpha粒子激發(fā)的本征模和慢化、熱化等能量輸運過程并計算岀能量增益QA5條件下alp

9、ha粒子密度空間剖面和能譜分布；根據(jù)ITER/CFETR設(shè)計參數(shù)，計算、評估Q>5條件下燃燒等離子體中alpha粒子對等離子體約束性能的影響。5. 長脈沖高功率速調(diào)管關(guān)鍵技術(shù)研究研究內(nèi)容:在消化吸收ITER0.5MW長脈沖速調(diào)管技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展國產(chǎn)大功率速調(diào)管的設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研、集成和整管調(diào)試研究，研制長脈沖高功率速調(diào)管，并能用于國內(nèi)托卡馬克實驗。考核指標：建立長脈沖MW級速調(diào)管的生產(chǎn)工藝規(guī)范提供兩只樣管；樣管工作頻率4.6GHz,輸岀功率不小于0.5MW,脈沖長度大于100秒。6. 聚變堆新型結(jié)構(gòu)類材料的高效制備及性能測試研究內(nèi)容：根據(jù)CFETR對關(guān)鍵材料服役性能的要求，開展高潔凈

10、度熔煉和熱機械加工技術(shù)研究，并優(yōu)化合金成分及界面設(shè)計，實現(xiàn)材料強度與韌性、高溫和抗輻照性能的同步提高，研發(fā)岀新型抗輻照熔煉ODS低活化鋼（兼顧其它可大規(guī)模生產(chǎn)的彌散強化低活化鋼）銅合金材料等。十對上述材料進行系統(tǒng)的力學、熱學、磁學及焊接、重離子輻照、氫同位素滲透滯留等性能測試?？己酥笜耍航Y(jié)構(gòu)鋼：氧化物顆粒尺度不大于0nm，數(shù)密度不小于1024/m3，熱力耦合作用下不發(fā)生聚集長大400°C500°C/200dpa重離子輻照后，輻照腫脹率小于0.1%；室溫沖擊功n250J、延伸率n22%，韌脆轉(zhuǎn)變溫度5-90C;650C/120MPa蠕變斷裂時間不小于5000小時。單件鑄錠重量

11、不小于200公斤。首批材料2020年基本滿足入堆中子輻照的要求熱沉銅合金：室溫熱導(dǎo)率n300W/m-K屋溫抗拉強度n500MPa屈服強度n400MPa,延伸率n18%；450C抗拉強度n300MPa,屈服強度n260MPa,450C/50MPa蠕變速率不大于10%1；400°C500C/50dpa7重離子輻照后，輻照腫脹率低于）.1%。7. CFETR國產(chǎn)先進材料小樣品高劑量中子輻照及結(jié)構(gòu)性能測評研究內(nèi)容：根據(jù)CFETR的要求，針對包層結(jié)構(gòu)、第一壁、偏濾器、熱沉及阻氚涂層等五種先進國產(chǎn)材料，利用國內(nèi)外現(xiàn)有條件，進行小樣品的高劑量中子輻照及結(jié)構(gòu)與性能測評。測試分析1050dpa反應(yīng)堆中

12、子輻照條件下各種候選材料的微觀結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)宏觀力學性能，并結(jié)合反應(yīng)堆中子輻照過程中氦、氫含量的影響及小樣品與標準宏觀樣品的對應(yīng)關(guān)系，評價面向2FETR的候選國產(chǎn)先進材料在1050dpa中子輻照條件下的微觀與宏觀性能及服役行為?？己酥笜耍韩@得五種以上國產(chǎn)先進材料在中子輻照條件下（其中結(jié)構(gòu)類材料不低于30dpa、第一壁材料不低于10dpa）的下述實驗數(shù)據(jù)：不同溫度下的材料微觀結(jié)構(gòu)、力學性能（至少包括硬度、拉伸性能、斷裂韌性及韌脆轉(zhuǎn)變溫度等）輻照腫脹率、熱導(dǎo)率（對于鎢合金和熱沉等材料）以及蠕變與阻氚（氫同位素）性能等；建立小樣品中子輻照的實驗結(jié)果與標準宏觀樣品的對應(yīng)關(guān)系；初步建立我國聚變堆材料小樣品的

13、標準實驗體系。8. 聚變堆金屬材料中子輻照計算模擬研究內(nèi)容：基于CFETR對材料中子輻照損傷評價預(yù)測與高性能抗輻照材料研發(fā)的要求，構(gòu)建從微觀、介觀到宏觀的金屬材料中子輻照計算模擬平臺開展金屬材料中子輻照損傷模擬研究，建立表征輻照缺陷演化的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)庫；結(jié)合相關(guān)實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建基于輻照缺陷演化特征的力學性能模型，計算分析不同pa與氫、氦濃度條件下材料缺陷結(jié)構(gòu)與力學性能，獲得材料微結(jié)構(gòu)輻照缺陷演化與服役性能之間的對應(yīng)關(guān)系選取典型He/dpa條件下的中子輻照實驗對比驗證模擬平臺的有效性計算和預(yù)測35dpa聚變中子輻照條件下的金屬材料結(jié)構(gòu)與力學性能，為FETR一期材料服役行為評價和二期中子輻照模擬提供預(yù)

14、測。考核指標：建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中子輻照多尺度計算模擬平臺；選取12個典型的He/dpa條件下的中子輻照實驗數(shù)據(jù)，驗證計算模擬平臺的有效性，實現(xiàn)中子輻照下金屬材料結(jié)構(gòu)與力學性能的預(yù)測；預(yù)測35dpa聚變中子輻照條件下金屬材料結(jié)構(gòu)與力學性能的演化規(guī)律。9. 基于托卡馬克位形優(yōu)化的新方法探索研究內(nèi)容：以提升芯部等離子體性能，提高邊界熱流和雜質(zhì)的排岀能力，增強磁流體穩(wěn)定性、減小乃至避免等離子體大破裂為目標，開展基于托卡馬克位形進行優(yōu)化的新方法探索研究，并進行相關(guān)的可行性實驗驗證，評估托卡馬克位形優(yōu)化對等離子體穩(wěn)定性和約束的影響?？己酥笜耍航o岀一種基于托卡馬克位形進行優(yōu)化的新方法的概念設(shè)計，完成可

15、行性的評估報告。10. 聚變堆條件下磁流體穩(wěn)定性和高能量粒子若干挑戰(zhàn)性問題研究研究內(nèi)容：開展Greenwald密度極限物理機制、破裂逃逸電子過程及其緩解、破裂過程中暈電流作用.alpha粒子激發(fā)本征模譜、燃燒等離子體診斷新方法等方面的實驗、理論、模擬研究?？己酥笜耍ㄍ瓿上铝兄唬?在Greenwald密度極限物理機制的實驗或理論研究方面取得進展從實驗和/或理論上理解破裂逃逸電子的物理機制、提岀有效的緩解辦法；開發(fā)岀破裂過程中的暈電流作用的程序或?qū)嶒灉y量方法；給岀氘氚運行模式下alpha粒子激發(fā)的本征模功率譜分布；提岀一種可用于燃燒等離子體診斷的新方法。11. 聚變堆條件下約束與輸運的若干關(guān)鍵問

16、題研究研究內(nèi)容：開展環(huán)形磁約束等離子體電磁湍流及其對輸運過程的影響、高參數(shù)聚變等離子體中雜質(zhì)對輸運過程的影響、強磁場約束下改善約束模（I模）形成機制、芯部輸運壘形成機制、聚變等離子體湍流診斷新方法等方面的實驗、理論、模擬研究?？己酥笜耍ㄍ瓿上铝兄唬涸谕锌R克電磁湍流實驗或理論研究方面獲得重要進展；在雜質(zhì)影響方面取得重要實驗或理論研究成果；強場條件下I模形成機制的實驗或理論研究方面取得突破性進展；在芯部輸運壘形成機制的實驗或理論研究方面有新的突破。12. 20MW/m2條件下聚變堆部件探索研究研究內(nèi)容針對未來聚變堆20MW/m2高熱負荷的運行條件，探索降低高熱負荷、延緩高熱負荷部件壽命的方法，設(shè)計新的移除高熱負荷的部件、研制快速移能的材料和部件，開展相關(guān)的工程實驗，掌握有效控制雜質(zhì)、快速移能的方法；研究長脈沖、高參數(shù)條件下雜質(zhì)輸運及等離子體與壁強相互作用過程。考核指標（完成下列之一）：提岀長脈沖、高參數(shù)、20MW/m2熱負荷條件下降低等離子體與壁相互作用強度的方法，并做岀詳細工程計算和設(shè)計提岀可承受20MW/m2熱負荷的新材料設(shè)計，研制岀該設(shè)計所需的樣品材料，并給岀材料性能測試結(jié)果；提岀可承受20MW/m2熱負荷的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制岀該設(shè)計所需的單元部件，并完成設(shè)計所需測試實驗；在高參數(shù)條件下雜質(zhì)輸運及等離子體與壁強相互作用過程研究方面有重要進展。13. 部