基本介紹
- 中文名：全超導托卡馬克核聚變實驗裝置
- 反應類型：核聚變
- 類型：實驗裝置
- 2009年：實驗首次成功
基本原理,裝置概況,HT-7,EAST,套用學科,研究成果,已取得的成果,未來發展規劃,
基本原理
核能是能源家族的新成員，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。裂變能是重金屬元素的核子通過裂變而釋放的巨大能量。受控核裂變技術的發展已使裂變能的套用實現了商用化，如核(裂變)電站。裂變需要的鈾等重金屬元素在地球上含量稀少，而且常規裂變反應堆會產生放射性較強的核廢料，這些因素限制了裂變能的發展。聚變能是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核並釋放出的能量。目前開展的受控核聚變研究正是致力於實現聚變能的和平利用。其實，人類已經實現了氘氚核聚變--氫彈爆炸，但那是不可控制的瞬間能量釋放，人類更需要受控核聚變。維繫聚變的燃料是氫的同位素氘和氚，氘在地球的海水中有極其豐富的蘊藏量。經測算，l升海水所含氘產生的聚變能等同於300升汽油所釋放的能量。海水中氘的儲量可使人類使用幾十億年。特別的，聚變產生的廢料為氦氣，是清潔和安全的。因此，聚變能是一種無限的、清潔的、安全的新能源。這就是世界各國尤其是已開發國家不遺餘力競相研究、開發聚變能的根本原因。
受控熱核聚變能的研究主要有兩種--慣性約束核聚變和磁約束核聚變。前者利用超高強度的雷射在極短的時間內輻照氘氚靶來實現聚變，後者則利用強磁場可很好地約束帶電粒子的特性，將氘氚氣體約束在一個特殊的磁容器中並加熱至數億攝氏度高溫，實現聚變反應。
托卡馬克(Tokamak)是前蘇聯科學家於20世紀50年代發明的環形磁約束受控核聚變實驗裝置。經過近半個世紀的努力，在托卡馬克上產生聚變能的科學可行性已被證實，但相關結果都是以短脈衝形式產生的，與實際反應堆的連續運行有較大距離。超導技術成功地套用於產生托卡馬克強磁場的線圈上，是受控熱核聚變能研究的一個重大突破。超導托卡馬克使磁約束位形能連續穩態運行，是公認的探索和解決未來聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑。目前建造超導裝置開展聚變研究已成為國際熱潮。
托克馬克從本質上說是一種脈衝裝置，因為電漿電流是通過感應方式驅動的。但是，存在所謂的“先進托克馬克”運行的可能性，即它們可以利用非感應外部驅動和發生在電漿內的自然的壓強驅動電流相結合而實現運行。它們需要仔細地調節壓強和約束使之最佳化。在理論和實驗上正在研究這種先進托克馬克，因為連續運行對聚變功率的產生是最有希望的，其相對小的尺寸導致比類ITER設計更經濟的電站。先進超導托克馬克實驗裝置是指裝置的環向磁場和極向磁場線圈都是超導材料繞制而成的，它可以大大節省供電功率，長時間維持磁體工作，並且可以得到較高的磁場。
電漿物理研究所主要從事高溫電漿物理、受控熱核聚變技術的研究以及相關高技術的開發研究工作，擔負著國家核聚變大科學工程的建設和研究任務,先後建成HT-6B、HT-6M等托卡馬克實驗裝置。1994年底，電漿所成功地建成我國第一台大型超導托卡馬克裝置HT-7，使我國進入超導托卡馬克研究階段，研究成果引起了國際聚變界的廣泛關注。“九五”國家重大科學工程--大型非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST計畫的實施，標誌著我國進入國際大型聚變裝置(近堆芯參數條件)的實驗研究階段，表明中國核聚變研究在國際上已占有重要地位。
裝置概況
HT-7
建設背景
上世紀90年代初，庫爾恰托夫研究所所長卡托姆采夫院士致信李正武院士，表示願意贈送T-7給中國，該信被轉交到時任電漿所所長的霍裕平院士。電漿所認真分析了國際核聚變發展的趨向，抓住機遇，果斷決策，接收了T-7裝置，並動員和組織了全所主要的人力、財力和工程技術力量，投入裝置的建設。
T-7裝置不是簡單的引進，而是根據我們的研究和實驗要求進行了根本性改造：將原48個縱場線圈合併改造成24個，並重新設計製作了新的真空室，增加了34個新的視窗，大大改善了裝置的可接近性。為開展高功率輔助加熱和長脈衝運行實驗，設計安裝了真空室內主動水冷內襯和新的垂直場系統。建成了國內最大的低溫液氦系統和大功率電源系統等九個子系統，使一個原本不具備物理實驗功能的T-7裝置改造成能夠開展多種實驗的先進裝置--中國第一個、世界第四個超導托卡馬克HT-7。
發展過程
1990年10月，與俄協定正式生效；1991年3月，HT-7正式立項；1991年6月T-7所有部件運抵電漿所；1993年國際上12位著名核聚變科學家組成的國際評估小組對HT-7進行評估，稱HT-7是“開發中國家最先進的托卡馬克裝置，並能進行準穩態運行，使中國核聚變研究接近世界核聚變的前沿”；1994年5月HT-7裝置建成；同年7月在勵磁控制與保護系統、電流引線和氦、氮冷卻管路等相關施工完成後，成功地進行了裝置低溫調試，最大縱場勵磁電流超過5 000A；1994年8月該裝置由中科院正式立項，納入國家大科學工程管理； 1994年12月，在完成了極向場控制系統後又進行了首次工程調試，獲得首次電漿；HT-7在解決了包括電流引線在內的一些關鍵問題後於1995年春成功地進行了工程聯調，從此開始了裝置的實驗運行；1998年獲中科院科技進步獎一等獎；
2003年8月獲安徽省2003年度科技進步獎一等獎；2004年1月，“可控熱核聚變實驗研究獲重大突破” 被兩院院士評選為“2003年度中國十大科技進展”；2003年財政部開始對大科學工程進行績效資金考評，中科院將HT-7選為京外試點參加首批考評，成績優秀。
EAST
在HT-7成功運行的基礎上，“九五”國家重大科學工程--大型非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置HT-7U在1998年立項。
1998年7月國家計委下達投資[1998]1303號文，同意由中科院主持，中科院電漿物理所承擔國家重大科學工程項目“HT-7U超導托卡馬克核聚變實驗裝置” 的建造；2000年10月國家計委下達計投資[2000]1656號文，同意該項目的工程開工建設。為使國內外專家易於發音、便於記憶同時又有確切的科學含義，2003年10月HT-7U正式改名為EAST(Experimental and Advanced Superconducting Tokamak)。
EAST工程歷經5年多的建設於2006年全面、優質地完成。同年9-10月和2007年1-2月EAST裝置進行了兩次放電調試，成功獲得了穩定、重複和可控的各種磁位形高溫電漿。2007年3月1日EAST項目通過了國家發改委組織的驗收。從此，EAST--世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克正式投入運行。EAST雖然比國際熱核聚變試驗堆(ITER)小，但位形與之相似且更加靈活。ITER的建設需要10年左右，其間EAST將是國際上極少數可開展與ITER相關的穩態先進電漿科學和技術問題研究的重要實驗平台。它的建成將使我國在人類開發核聚變能的過程中能夠做出更多的重大貢獻。
套用學科
HT-7和EAST兩大裝置，瞄準核聚變能研究前沿，開展穩態、安全、高效運行的先進托卡馬克聚變反應堆基礎物理和工程問題的國內外聯合實驗研究，為核聚變工程試驗堆的設計建造提供科學依據，推動電漿物理學科其他相關學科和技術的發展。
HT-7是一個比較成熟和穩定的實驗裝置，有比較完善的實驗和測量手段，可以開展超長脈衝條件下電漿與壁相互作用、電漿穩態控制、電漿馳豫演化等一系列穩態物理和技術問題，可在高功率密度條件下研究穩定性、輸運、先進運行模式等與未來聚變堆密切相關的物理前沿問題。開展一些目前尚未成熟但未來EAST必需的物理和工程技術前期研究。
EAST作為HT-7的升級裝置，不僅規模更大，其獨有的非圓截面、全超導及主動冷卻內部結構三大特性，將更有利於探索電漿穩態先進運行模式，其工程建設和物理研究可為 ITER項目的建設提供直接經驗，並為未來聚變實驗堆提供重要的工程和物理實驗基礎。
研究成果
已取得的成果
HT-7裝置1995年投入運行，經過多方面的改進和完善，裝置運行的整體性能和水平有了很大的提高。13年來，物理實驗不斷取得重大進展和突破，獲得了一系列國際先進或獨具特色的成果。
在中心電漿密度大於2.2×1019/m3條件下，最高電子溫度超過5 000萬度；獲得可重複大於60秒(最長達到63.95秒)、中心電子溫度接近500萬度、中心密度大於0.8×1019/m3的非感應全波驅動的高溫電漿；成功地實現了306秒的穩態電漿放電，電漿電流60kA，中心電子密度0.8×1019/m3，中心電子溫度約1 000萬度；2008年春季，HT-7超導托卡馬克物理實驗再次創下新紀錄：連續重複實現了長達400秒的電漿放電，電子溫度1 200萬度，中心密度0.5×1019/m3。這是目前國際同類裝置中時間最長的高溫電漿放電。
同時，還在HT-7上開展了石墨限制器條件下的運行模式、電漿物理特性和波加熱、波驅動高參數電漿物理特性以及高參數、長脈衝運行模式等世界核聚變前沿課題的研究，出色完成了國家“863”計畫和中科院重大課題研究任務。HT-7實驗的成功使中國磁約束聚變研究進入世界先進行列，也使HT-7成為世界上(EAST建成之前的)第二個全面開放的、可進行高參數穩態條件下電漿物理研究的公共實驗平台。
EAST在2007年1-2月的第二輪電漿放電實驗中，獲得了穩定、可控具有大拉長比的偏濾器位形電漿放電，最大電漿電流達0.5MA，在0.2MA電漿電流下最長放電達9秒，並成功完成了磁體、低溫、總控和保護、電漿控制等多項重要工程測試和物理實驗。
2016年2月，中國EAST物理實驗獲重大突破，成功實現電子溫度超過5000萬度、持續時間達102秒的超高溫長脈衝電漿放電。這也是截至2016年2月國際托卡馬克實驗裝置上電子溫度達到5000萬度持續時間最長的電漿放電。標誌著中國在穩態磁約束聚變研究方面繼續走在國際前列。
2018年11月12日，從中科院合肥物質科學研究院獲悉，EAST近期實現1億攝氏度電漿運行等多項重大突破，獲得的實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件，朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步。
未來發展規劃
發展目標：通過15年(2006-2020)的努力，使EAST成為我國磁約束聚變能研究發展戰略體系中最重要的知識源頭，使我國核聚變能開發技術水平進入世界先進行列。同時，積極參與國際合作，消化、吸收、掌握聚變堆關鍵科學與技術，鍛鍊隊伍，培養人才，儲備技術，使得我國有能力獨立設計和建設(或參與國際合作)聚變能示範堆。
HT-7裝置是國際上正在運行的(EAST投入正式運行之前)第二大超導托卡馬克裝置，配合EAST的科學目標開展高溫電漿的穩態運行技術和相關物理問題的研究，其穩態高參數電漿物理實驗結果和工程技術發展對EAST最終科學目標的實現和國際聚變研究都具有重要的直接意義。
EAST的科學研究分三個階段實施：
第一階段(3-5年)：長脈衝實驗平台的建設；第二階段(約5年)：實現其科學目標，為ITER先進運行模式奠定基礎；第三階段(約5年)：長脈衝近堆芯下的實驗研究。
EAST將對國內外聚變同行全面開放，結合國內外聚變的科學、技術和人才優勢，開展磁約束聚變的科學和技術研究，培養國內磁約束聚變人才，為中國聚變能的發展奠定基礎。
