作者:倪思洁 来源:中国科学报 发布时间:2021/11/25 14:08:14
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东方超环的极限挑战

 

在合肥西郊风景秀丽的董铺水库上,有一座名叫“科学岛”的小岛,这里是倍受当地人喜爱的休闲胜地,也是世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环(EAST)的所在地。

核聚变具有清洁、环保、安全、原材料储量极其丰富等优点,被认为是最终解决人类能源问题的战略能源。但核聚变的发生需要上亿度的高温,如何把物质持续、稳定、可控地加热到上亿度成为难题。

攻克这一难题,就是东方超环的使命。东方超环建成于2006年,被誉为“人造太阳”。之所以获此美名,并不是因为它与太阳的外观有多相似,而是因为科学家们在尝试着用它模拟太阳的热核聚变过程,并由此为人类提供能源。从建成至今,15年来,科学家们推着东方超环一次又一次冲破极限,逼近核聚变所需要的条件。

东方超环(中科院合肥研究院等离子体所供图)

建中国人自己的托卡马克

一般物质到达10万度时,原子中的电子就会脱离原子核的束缚,形成等离子体,怎么为这些等离子体加热,一度成为核聚变研究中的难题。

20世纪50年代初,苏联科学家建成了第一个托卡马克装置。它是一个由封闭磁场组成的“容器”,可以把炙热的等离子体托举到半空中持续加热。这个办法被视为探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效途径。

早在上世纪70年代,位于合肥的中国科学院等离子体物理研究所(以下简称中科院等离子体所)就开始了核聚变相关研究。上世纪90年代,中科院等离子体所开始了超导托卡马克的研究。

1990年2月,苏联库尔恰托夫所副所长卡多姆采夫院士给中科院等离子体所时任所长霍裕平院士发来一封信,提出愿意将已停机的T-7托卡马克装置赠送给中科院等离子体所,以便更好地开展合作研究。作为等离子体物理学家,霍裕平心里非常清楚T-7对中国意味着什么。

他迅速组织了全所科技骨干深入了解T-7,反复论证改造T-7的可行性。最终,他们决定接受T-7,并不惜一切代价在3年内对其改造,为中国的核聚变作一番拼搏。

1991年3月,T-7设备运抵国内,相关改造和建设工作也在中科院等离子体所全面铺开。1994年12月,由T-7改造成的超导托卡马克装置HT-7首次获得等离子体,成为中国的第一个超导托卡马克。

在此基础上,中科院等离子体所的科学家们又提出了对HT-7进行升级改造的新计划——“HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置建设”计划,以便在近堆芯的高参数条件下研究等离子体的稳态和先进运行,深入探索实现聚变能源的工程、物理问题。

为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义,项目在2003年10月更名为EAST,中文名为“东方超环”。

2006年,由国家发展改革委立项支持的东方超环正式建成,这个主机部分高11米、直径8米、重400吨的大家伙,成为我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。

第98958次实验

“98、99、100!”2021年5月28日凌晨3时02分,当大屏幕上的数字突破100秒时,所有人起立欢呼。

这是东方超环的第98958次实验。一个新的世界纪录由此诞生——东方超环成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍,进一步证明核聚变能源的可行性,也将为迈向商用奠定物理和工程基础。

回望过去的15年,东方超环在一次次挑战极限:

2012年,东方超环打破世界纪录,获得超过400秒的两千万度高参数偏滤器等离子体,并获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电;

2016年,东方超环获得超过60秒的完全非感应电流驱动(稳态)高约束模等离子体,成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置;

2017年,东方超环实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录;

2018年,东方超环实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦,在电子回旋与低杂波协同加热下,等离子体中心电子温度达到1亿度;

2021年,东方超环又一次创造新的世界纪录。

从这15年的成绩单可以看到,近五年,东方超环进入了“丰产期”。“这主要是因为2015年东方超环完成了第一次全面地升级,装置能力得到了大幅提升。”中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所副所长徐国盛告诉《中国科学报》。

人才队伍的壮大,是东方超环在近五年里持续出现重大突破的另一个原因。“从2006年东方超环建成到2016年,10年时间,我们的科研人员不畏艰难,坚持创新,探索出托卡马克稳态运行的有效方案,科研队伍在人员数目和研究水平上有了显著提升。”徐国盛说。

2021年5月28日,东方超环实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行现场(中科院合肥研究院等离子体所供图)

合作,革新,再冲刺

在东方超环建成的2006年,中国核聚变领域还经历了另一件大事——正式签约加入国际热核聚变实验堆(ITER)计划。

这是全球最大的实验性托卡马克核聚变反应堆装置,集成了当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果,是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步。这也是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,中国、欧盟、俄罗斯、美国、日本、韩国和印度七方30多个国家参与其中。

与ITER外形相似且比ITER更早投入运行的东方超环,无论是在工程建设上,还是在物理研究上,都为ITER项目提供了可借鉴的经验。“东方超环的下一个目标之一,就是演示ITER设计运行时间尺度高约束模式等离子体稳态运行的可行性。”徐国盛说。

作为中国为人类命运共同体做贡献的重要平台,ITER项目也成为我国发展自身聚变工程实验堆的有力支撑。

“近年来东方超环取得的系列原创性重大成果,以及深度参与ITER计划取得的成果和经验,都为未来中国聚变工程实验堆的建设和运行,奠定了坚实的科学和工程基础。”徐国盛说。

接下来,在以往的成果和国际合作经验基础上,东方超环还将探索在更长时间尺度下的高温等离子体运行,数百秒时间尺度维持等离子体芯部电子温度超过1亿度,长时间的高温等离子体的稳态运行。

“东方超环是一个自身不断进步的系统,需要通过升级改造来不断提升系统能力,挑战工程参数,突破其运行极限,逼近核聚变所需要的等离子体条件。”徐国盛说。

除了推着东方超环一步步挑战极限之外,科学家们还有更宏伟的目标。“中国磁约束核聚变研究的最终目标就是要率先在中国实现核聚变发电。”徐国盛说。

对于中国核聚变研究的科学家来说,最值得期待的就是我国尽早开始建设和运行聚变工程实验堆。

徐国盛介绍,近些年,在国家科技部的支持下,我国科学家已完成了未来中国聚变工程实验堆的概念设计、物理设计和工程设计,并且进行了一些关键部件的预研。正在建设的“聚变堆主机关键系统综合研究设施”(CRAFT)也将成为国际磁约束聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究平台,可为我国开展聚变堆核心部件研发和建设提供建设技术基础。

“从东方超环到中国聚变工程实验堆,我们所做的每一件事都是人类没有做过的。我相信,假以时日,科研人员一定能逐步解决未来聚变堆核心科学和技术问题,让取之不尽、用之不竭的清洁聚变能造福人类。”徐国盛自豪地说。

 
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