超導托卡馬克裝置

超導托卡馬克裝置是一種利用磁約束和真空絕熱來實現受控核聚變的環形容器。它使得磁約束位形的連續穩態運行成為現實。超導托卡馬克被公認為是探索、解決未來穩態聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑。

我國超導托卡馬克研究始於1991年，在將原蘇聯T7超導托卡馬克改成HT-7後並在其上做了許多有意義的工作。1997年開始全超導托卡馬克EAST計畫，2006年建成並投入運行。未來將在長脈衝條件下進行高參數等離子物理實驗，為未來穩態、先進聚變實驗反應堆奠定良好的工程技術和物理基礎。

基本介紹

• 中文名：超導托卡馬克裝置
• 外文名：Superconducting tokamak device
• 原理：磁約束和真空絕熱
• 目的：核聚變
• 屬性：環形容器
• 類型：HT-7，EAST

研究現狀

上世紀90年代，歐盟的JET、美國的TFTR和日本的JT-60這3個大型托卡馬克裝置在磁約束核聚變研究中獲得許多重要成果:電漿溫度達4.4億度，這一溫度不僅大大超過氘氚反應點火的要求，而且已接近了氘氦-3聚變反應堆點火溫度，脈衝聚變輸出功率超過16兆瓦，聚變輸出功率與外部輸入功率之比Q等效值超過1.25。所有這些成就都表明:托卡馬克是最有可能首先實現聚變能商業化的途徑。但這些結果僅僅持續數秒鐘，尚不能用於未來電站。未來電站要求數億度的電漿必須穩態運行。上述裝置都是常規托卡馬克，其磁場只能定短脈衝的方式，無法連續運行。

可控熱核聚變能研究的一項重大突破，是將超導技術成功地套用於產生托卡馬克強磁場的線圈上。原蘇聯於上世紀70年代末建造的T-7裝置是世界上第一個超導托卡馬克裝置，在庫爾恰托夫原子能研究所運行了5年左右，雖然該裝置僅開了12個小視窗，無法開展真正意義上的電漿物理實驗，但卻將超導技術用於縱場磁體並調試成功，最大縱場勵磁電流達4800A(對應電漿中心磁場2.5T)。其重大意義在於在工程上驗證了縱場磁體能夠在這類磁容器上實現連續穩態運行。

國際上主要核國家的聚變界歷時10多年，耗資近15億美元啟動的國際熱核實驗堆ITER項目，將集成當今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學和技術成果，第一次在地球上建成能與未來實用聚變堆規模相比擬的受控熱核聚變實驗堆，解決通向聚變電站的關鍵問題。這是人類受控熱核聚變研究走向實用的關鍵一步，因此受到各國政府及科技界的高度重視和支持。歐盟、日本、美國都明確提出在未來35年內建立聚變示範堆，在本世紀中葉實現聚變能的商用目標。

我國核聚變能研究始於上世紀60年代初，儘管經歷了長時間非常困難的時期，但始終能堅持穩定、逐步的發展，建成了兩個在開發中國家最大的、理工結合的大型現代化專業研究所，即核工業總公司所屬的西南物理研究院(SWIP)及中科院所屬的合肥電漿物理研究所(ASIPP)。為了培養專業人才，還在中國科技大學、大連理工大學、華中理工大學、清華大學等高等院校建立了核聚變及電漿物理專業或研究室。

我國核聚變研究從起步之初，即便規模很小時，就以在我國實現受控熱核聚變能為主要目標。自70年代開始，集中選擇了托卡馬克為主要研究途徑，先後建成並運行了小型CT-6(中科院物理所)、KT-5(中國科技大學)、HT-6B(ASIPP)、HL-1A(SWIP)、HT-6M(ASIPP)及較大一些的HL-1M(SWIP)。最近SWIP建成的HL-2A經過進一步升級，有可能進入當前國際上正在運行的少數幾個中型托卡馬克之列。在這些裝置的成功研製過程中，組建並鍛鍊了一批聚變工程隊伍。我國科學家在這些常規托卡馬克裝置上開展了一系列十分有意義的研究工作。

一個經濟實用的商用堆必須是高效、緊湊和穩態運行的。未來商用堆必須是全超導，才能實現穩態運行。

HT-7

中科院電漿物理研究所是我國核聚變研究的重要基地。1994年通過國際合作成功研製出HT-7超導托卡馬克裝置，這是一個可產生長脈衝高溫電漿的中型聚變研究裝置。它的研製成功，使我國成為繼俄、日、法之後第四個擁有該類裝置的國家，從此為中國的聚變事業全面走向國際舞台開拓了一條創新之路。經過十多年來科研和工程技術人員的不斷改進，取得許多創新成果。

HT-7超導托卡馬克裝置

HT-7托卡馬克裝置工程始建於1991年初，1994年底建成並投入實驗運行，工程總投資1500萬元人民幣，1997年11月通過中國科學院鑑定。可控熱核聚變是最終解決人類能源問題的重要途徑。熱核聚變反應所需的原料在自然界中取之不盡，用之不竭。磁約束高溫電漿是實現這種聚變反應的極重要手段，與常規的托卡馬克裝置相比，超導托卡馬克裝置具有的最大特點是主磁場採用了超導磁體，這是建立穩態反應堆的必由之路。電漿研究所在國家計委和中國科學院的支持下，瞄準世界聚變發展的前沿，抓住國際合作機遇，利用俄羅斯贈送的T-7裝置主體和部分外部設備，主要依靠自己的力量，用較少的經費，經過重新設計、改造、加工和裝配，在較短的時間內，成功地建成了中國第一台超導托卡馬克裝置(目前世界上只有俄羅斯、法國、日本和中國擁有超導托卡馬克裝置)。

HT-7裝置建成幾年來，裝置運行穩定可靠，使整體裝置在超導托卡馬克領域進入國際先進水平，為中國深入開展長脈衝準穩態電漿物理研究提供了條件，使電漿研究所成為中國熱核聚變研究的重要基地。到目前為止， HT-7裝置在電漿控制技術、低雜波驅動電流實驗、壁處理技術、電漿診斷等幾個方面取得了重大進展。

EAST

東方超環(Experimental Advanced Superconduct-ing Tokamak，EAST)坐落於合肥市西郊的科學島上， 是我國設計建造的國際上第一個建成並投入運行的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。EAST的建成填補了從短脈衝中型常規托卡馬克向長脈衝大型超導托卡馬克過渡過程中“中型超導托卡馬克”的空缺。EAST具有國際熱核聚變實驗堆(ITER)類似先進技術，具有與ITER類似的超過1000s的長脈衝高參數運行能力，是未來10年國際上極少數有能力在高參數條件下開展長脈衝聚變電漿物理和工程技術研究的實驗平台。EAST已經取得了超過400s的偏濾器位形電漿以及穩定重複的超過30s的長脈衝“高約束模”電漿，創造了新紀錄。EAST致力於解決ITER及未來聚變堆高性能穩態運行相關的關鍵物理和工程問題。這些研究將為中國未來聚變實驗堆的設計和運行提供重要的依據，並為未來建造穩態、高效、安全的托卡馬克類型的聚變反應堆提供重要的工程技術和物理基礎。

為了在近堆芯的高參數條件下研究電漿的穩態和先進運行，深入探索實現聚變能源的工程、物理問題，電漿所在成功建設中國第一個超導托卡馬克HT-7的基礎上，提出了“HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置建設”計畫。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，項目的名稱在2003年10月正式由HT-7U改為EAST。EAST由實驗“Experimental”、先進“Advanced”、超導“Superconducting”、托卡馬克“Tokamak”四個單詞首字母拼寫而成，它的中文意思是“先進實驗超導托卡馬克”，同時具有“東方”的含意。EAST裝置是我國自行設計研製的國際首個全超導托卡馬克裝置（右圖），其主要技術特點和指標是：16個大型“D”形超導縱場磁體將產生縱場強度BT=3.5T；12個大型極向場超導磁體可以提供磁通變化ΔФ≥10伏秒；通過這些極向場超導磁體，將能產生≥100萬安培的電漿電流；持續時間將達到1000秒，在高功率加熱下溫度將超過一億度。

EAST裝置的主機部分高11米，直徑8米，重400噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成。其實驗運行需要有大規模低溫氦製冷、大型高功率脈衝電源及其迴路、大型超導體測試、大型計算機控制和數據採集處理、兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱、大型超高真空、以及多種先進診斷測量等系統支撐。學科涉及面廣，技術難度大，許多關鍵技術目前在國際上尚無經驗借鑑。特別是EAST運行需要超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫、超高真空等極限環境，從芯部上億度高溫到線圈中零下269度低溫，給裝置的設計、製造工藝和材料方面提出了超乎尋常的要求。EAST的建造具有十分重大的科學意義，它不僅是一個全超導托卡馬克（左圖為托卡馬克示意圖），而且具有會改善電漿約束狀況的大拉長非圓截面的電漿位形，它的建成將使我國成為世界上少數幾個擁有這種類型超導托卡馬克裝置的國家，使我國磁約束核聚變研究進入世界前沿。在裝置建成後的10-15年期間，能在裝置上對建造穩態先進的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問題開展探索性的實驗研究，並使中國在人類開發清潔而又無限的核聚變能的領域內做出自己應有的重大貢獻。

EAST的大小半徑雖然只有國際熱核聚變試驗堆（即ITER）的1/3和1/4（右圖為ITER示意圖），但位形與ITER相似且更加靈活 ，而且將比ITER早10-15年投入運行。EAST是一個近堆芯高參數和穩態先進電漿運行科學問題的重要實驗平台，它將是在ITER之前國際上最重要的穩態偏濾器托卡馬克物理實驗基地。