中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子物理研究所日前宣布，我國(guó)的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（中文名為東方超環(huán)，簡(jiǎn)稱EAST）在全球首次實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，為人類開(kāi)發(fā)利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，這一里程碑性的重要突破，表明我國(guó)磁約束聚變研究在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的物理和工程方面將繼續(xù)引領(lǐng)國(guó)際前沿，對(duì)國(guó)際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆（ITER）和未來(lái)中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR）建設(shè)和運(yùn)行具有重大的科學(xué)意義。

高約束放電時(shí)間突破百秒量級(jí)，為下一代核聚變裝置建設(shè)奠定基礎(chǔ)

 

EAST是高11米、直徑4米、重達(dá)400噸的大科學(xué)裝置，是我國(guó)第四代核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。EAST的建設(shè)目標(biāo)是對(duì)受控核聚變相關(guān)的前沿物理問(wèn)題開(kāi)展探索性實(shí)驗(yàn)研究，為未來(lái)穩(wěn)態(tài)、安全、高效的先進(jìn)商業(yè)聚變堆提供物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)。由于核聚變的反應(yīng)原理跟太陽(yáng)類似，所以也被稱為人造太陽(yáng)。

經(jīng)過(guò)多年研究，科研人員成功攻克了一批國(guó)際共性難題，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了5000萬(wàn)度等離子體，持續(xù)放電101.2秒的高約束運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了從60秒到百秒量級(jí)的跨域。在這過(guò)程中，EAST相繼完成了輔助加熱、鎢偏濾器、等離子體物理診斷等系統(tǒng)的升級(jí)改造，基本解決了射頻波耦合、高約束等離子體穩(wěn)定性控制、等離子體與壁相互作用物理、低動(dòng)量條件下加熱和電流驅(qū)動(dòng)下輸運(yùn)、雜質(zhì)輸運(yùn)和控制等問(wèn)題，為此次實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)高約束模等離子體奠定了基礎(chǔ)。

EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置實(shí)驗(yàn)運(yùn)行總負(fù)責(zé)人、中科院等離子體所研究員龔先祖說(shuō)：“我們面臨的重大挑戰(zhàn)是粒子控制和熱排出問(wèn)題，解決了這些難題，使得放電脈沖延長(zhǎng)到100秒，這是一個(gè)新的世界紀(jì)錄，也是EAST一個(gè)新的里程碑。”

穩(wěn)態(tài)高約束運(yùn)行模式是國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃的基本運(yùn)行模式，也是未來(lái)反應(yīng)堆需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。作為國(guó)際重要的長(zhǎng)脈沖核聚變實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，EAST超導(dǎo)托卡馬克高約束放電時(shí)間實(shí)現(xiàn)百秒量級(jí)的突破，將為我國(guó)下一代核聚變裝置的建設(shè)和國(guó)際核聚變清潔能源的開(kāi)發(fā)利用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

創(chuàng)下多項(xiàng)世界紀(jì)錄，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式將為未來(lái)反應(yīng)堆提供重要參考

 

EAST實(shí)驗(yàn)先后創(chuàng)下多項(xiàng)托卡馬克運(yùn)行的世界紀(jì)錄：2012年實(shí)現(xiàn)30秒高約束等離子體放電；2016年獲得60秒的完全非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)（穩(wěn)態(tài)）高約束模等離子體。EAST的成功建設(shè)和運(yùn)行獲得國(guó)內(nèi)外專家的高度贊譽(yù)，“是世界聚變工程的非凡業(yè)績(jī)，是世界聚變能開(kāi)發(fā)的杰出成就和重要里程碑！”《自然》和《科學(xué)》分別評(píng)價(jià)：“中國(guó)創(chuàng)造了聚變歷史”“在這里科學(xué)價(jià)值得到極大體現(xiàn)”。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，其目標(biāo)是在和平利用聚變能的基礎(chǔ)上，探索聚變?cè)诳茖W(xué)和工程技術(shù)上的可行性。據(jù)介紹，高約束模是ITER的基本運(yùn)行模式，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行并達(dá)到有效的偏濾器熱量排除，ITER將采用射頻波主導(dǎo)的低動(dòng)量注入運(yùn)行模式以及主動(dòng)水冷的鎢偏濾器結(jié)構(gòu)。而EAST是目前世界上唯一具備這兩大特色且具有長(zhǎng)脈沖運(yùn)行能力的全超導(dǎo)托卡馬克，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式將為ITER和未來(lái)反應(yīng)堆提供重要參考。

“ITER計(jì)劃是人類探尋未來(lái)高效清潔能源的重要途徑，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行是未來(lái)聚變堆亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。EAST具有ITER類似的先進(jìn)技術(shù)，未來(lái)5年內(nèi)將是國(guó)際上唯一有能力開(kāi)展超過(guò)百秒時(shí)間尺度的長(zhǎng)脈沖高約束聚變等離子體物理和工程技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為ITER預(yù)演穩(wěn)態(tài)運(yùn)行也是EAST的重要使命。”龔先祖表示。

如果在民用上能實(shí)現(xiàn)可控，將徹底改寫人類的能源版圖

 

據(jù)龔先祖介紹，中國(guó)從上世紀(jì)末在中科院等離子體所的HT—7裝置上開(kāi)始進(jìn)行長(zhǎng)脈沖的等離子體實(shí)驗(yàn)，真正朝著聚變能技術(shù)研究方向的EAST裝置在2006年建成，第一次等離子放電時(shí)間在當(dāng)年的9月26日，主要目標(biāo)就是面向未來(lái)聚變堆的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。

上世紀(jì)50年代開(kāi)始，以原子核的裂變反應(yīng)為基礎(chǔ)的核電站登上世界能源舞臺(tái)，但是這種核電站存在核廢料的處理、核輻射、核燃料鈾的開(kāi)采和提料難等問(wèn)題。相對(duì)來(lái)說(shuō)，核聚變具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：它的原料儲(chǔ)量極其豐富，因其主要燃料是存在于海水之中的氘和氚。一升海水提取的氘能產(chǎn)生的聚變能源，相當(dāng)于300升汽油。另外，聚變產(chǎn)物沒(méi)有放射性。同時(shí)，由于聚變反應(yīng)需要的條件比較高，一旦發(fā)生事故，造成反應(yīng)的等離子體約束破裂，聚變反應(yīng)便會(huì)終止。因此聚變?nèi)剂系谋４孢\(yùn)輸、聚變電站的運(yùn)行都比較安全。因此，聚變研究對(duì)于開(kāi)發(fā)清潔能源，意義十分重大。此外，伴隨著聚變研究帶來(lái)的衍生和伴隨技術(shù)，比如超導(dǎo)磁體技術(shù)、大功率電源技術(shù)、超高真空技術(shù)、超低溫技術(shù)等，都會(huì)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，給民眾生活帶來(lái)很大改變。核聚變?nèi)绻诿裼蒙夏軐?shí)現(xiàn)可控，將徹底改寫人類的能源版圖。

“目前的聚變研究，功率相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較低的。未來(lái)我們想實(shí)現(xiàn)聚變的可行性，需要在更好的加熱功率條件下，來(lái)驗(yàn)證延長(zhǎng)等離子體存在時(shí)間的科學(xué)可行性。這個(gè)挑戰(zhàn)十分巨大，因?yàn)榫圩儺a(chǎn)生有一個(gè)物理學(xué)說(shuō)叫勞遜判據(jù)，意思是要想產(chǎn)生聚變，就要使得等離子體的溫度達(dá)到上億度，這就是我們今后的科研攻關(guān)目標(biāo)。”龔先祖說(shuō)。