韩国全超导托卡马克装置：KSTAR- 大数跨境

中科富海

2024-08-20

导读：2024年3月，韩国聚变能源研究所宣布在将碳偏滤器升级为钨偏滤器后，其先进超导托卡马克研究装置KSTAR在1

2024年3月，韩国聚变能源研究所宣布在将碳偏滤器升级为钨偏滤器后，其先进超导托卡马克研究装置KSTAR在1亿摄氏度下成功维持了48秒，从而打破了该装置于2021年创造的30秒的纪录。据悉，KSTAR的目标是到2026年，在1亿摄氏度的高温下至少维持300秒。

一、装置概览

KSTAR（Korea Superconducting Tokamak Aavanced Research）：即韩国先进超导托卡马克研究装置，被称为“韩国人造太阳”。KSTAR装置位于韩国大田，由韩国聚变能源研究所建设并管理。该装置使用氢燃料和氘燃料，而非在ITER中研究的氘-氚混合物。

韩国聚变能源研究所（Korean Institute of Fusion Energy，KFE）前身是2007年9月成立的韩国国家聚变研究所（National Fusion Research Institute，NFRI），2020年完成更名。KFE是韩国唯一专门从事核聚变的研究机构，代表着韩国核聚变能源相关研究的最高水平，同时也是国际热核实验堆ITER的主体成员单位。KFE致力于运营运营KSTAR基础上开发核聚变商业化的核心技术，同时培养优秀的核聚变人才。

二、预期目标

KSTAR的目标是建造一个稳态运行的先进超导托卡马克，为未来聚变反应堆积累科学与工程技术经验。有三个主要科学目标：

通过主动控制等离子体横截面和输运来增强托卡马克的稳定性。
探索非感应电流驱动实现托卡马克聚变反应堆稳态运行的方法。
积累最佳等离子体特性和连续运行经验。

三、突出特点

KSTAR是世界上首批采用全超导磁体的托卡马克实验研究装置，其加热和电流驱动系统综合使用了中性束注入（NBI）、离子回旋共振加热（ICRH）、电子回旋共振加热等（ECRH）多种方式。KSTAR在设计上具备以下特点：

全超导磁体
长脉冲运行能力
灵活的气压和电流截面控制
灵活的等离子体位置和位形控制
先进的截面和控制诊断

四、核心参数

KSTAR装置的主要参数为：大半径1.8m，小半径0.5m，环向磁场3.5T，等离子体电流2MA，脉冲宽度20s-300s。

五、重要里程碑

-1995年，KSTAR项目成功立项。

-1998年，完成项目概念设计和基础研发工作。

-2002年，项目工程设计完成。

-2007年，项目建造完成。

-2008年，首次成功获得等离子体放电。

-2010年，首次在托卡马克装置中实现H模式。

-2016年，将等离子体加热至5,000万摄氏度并持续运行了70秒。

-2018年，首次成功在1亿摄氏度的高温下，将等离子体持续运行1.5秒，同年启动钨偏滤器研发。

-2019年，在1亿摄氏度条件下，将等离子体持续运行8秒。

-2020年，KSTAR在1亿摄氏度下，等离子体实现持续运行20秒。

-2021年，第一个钨偏滤器原型制造完成。

-2021年，KSTAR在1亿摄氏度下，持续运行等离子体30秒。

-2022年，开始安装钨偏滤器，并于次年完成更换升级。

-2024年，KSTAR在1亿摄氏度下，持续运行等离子体48秒，同时实现高约束模式（H模式）运行超过100秒。

六、部分供应商

1. Korea Atomic Energy Research Institute：即韩国原子能综合研究院，成立于1959年，位于韩国大田市。主要从事核能研究和技术开发，业务范围包括反应堆设计、核燃料研发、核安全与放射性废物管理、核技术应用和核领域基础研究等。KAERI曾为KSTAR装置提供了射频加热系统及NBI系统的正离子源。

2. Kiswire Advanced Technology：即高丽特钢，成立于2004年，位于韩国大田市。KAT主要从事超导线材的研究与开发，产品包括Nb3Sn、NbTi、MgB2超导线材，以及超导磁体和低温容器。2006年，KAT为KSTAR提供了2.2吨的CS导体用Nb3Sn超导线材。KAT也是ITER项目所有参与方中首个通过Nb3Sn超导线材开发和性能评估的供应商。

3. SAMSUNG SDS：成立于1985年，是韩国最大的全球化ICT解决方案提供商，业务领域涵盖IT外包服务、基建服务、各行业的智能化解决方案服务公司。三星SDS为KSTAR装置供应了主控制系统。

4. Doosan Heavy Industries & Construction：即原斗山重工业，现已更名为Doosan Enerbility。成立于1896年，是斗山集团的核心公司之一。公司业务范围涵盖能源、基础设施、工程以及重工业制造等多个领域，产品覆盖核电站、海水淡化处理设备、燃气轮机等高端设备的研发与制造。公司曾为KSTAR装置供应了超导磁体结构物。

5. 中科富海：公司为中国科学院理化所孵化企业，成立于2016年，总部位于北京。公司拥有20K-2K核心关键技术，致力于提供液氢、液氦温区大型低温制冷装备、氢液化装置、LNG-BOG提氦装备、稀有气体（氦氖氪氙）分离纯化等先进低温装备以及氢能应用系统解决方案、高纯稀有气体、电子特种气体、工业气体和气体工程等服务。中科富海已为KSTAR装置提供了氦制冷机系统。

韩国的热核聚变研究始于20世纪50年代，是世界上开展热核聚变研究起步较晚的国家，但是在政府强有力的政策支持下，在本世纪初就具备了一定的技术实力。今年7月22日，韩国科学和信息通信技术部部长李钟浩（Jong-Ho Lee）还宣布了一项价值1.2万亿韩元（约合8.75亿美元）的政府项目，旨在促进公共部门与私营企业之间的知识和技术交流，构建韩国的聚变生态系统。

参考链接：

https://www.kfe.re.kr/eng
https://www-pub.iaea.org/MTCD/Meetings/FEC2006/ft_2-2.pdf
https://www.nifs.ac.jp/itc/itc12/Lee.pdf
https://www-pub.iaea.org/mtcd/meetings/PDFplus/2010/cn180/cn180_papers/ftp_p6-09.pdf
http://psl.postech.ac.kr/kjw13/talks/Kim_H.pdf