[科普中國]-超導托卡馬克裝置

超導托卡馬克研究現(xiàn)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:等離子體溫度達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，脈沖聚變輸出功率超過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(xiàn)聚變能商業(yè)化的途徑。但這些結(jié)果僅僅持續(xù)數(shù)秒鐘，尚不能用于未來電站。未來電站要求數(shù)億度的等離子體必須穩(wěn)態(tài)運行。上述裝置都是常規(guī)托卡馬克，其磁場只能定短脈沖的方式，無法連續(xù)運行。

可控熱核聚變能研究的一項重大突破，是將超導技術(shù)成功地應用于產(chǎn)生托卡馬克強磁場的線圈上。原蘇聯(lián)于上世紀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個小窗口，無法開展真正意義上的等離子體物理實驗，但卻將超導技術(shù)用于縱場磁體并調(diào)試成功，最大縱場勵磁電流達4800A(對應等離子體中心磁場2.5T)。其重大意義在于在工程上驗證了縱場磁體能夠在這類磁容器上實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)態(tài)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(shù)成果，第一次在地球上建成能與未來實用聚變堆規(guī)模相比擬的受控熱核聚變實驗堆，解決通向聚變電站的關(guān)鍵問題。這是人類受控熱核聚變研究走向?qū)嵱玫年P(guān)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(nèi)建立聚變示范堆，在本世紀中葉實現(xiàn)聚變能的商用目標。

我國核聚變能研究始于上世紀60年代初，盡管經(jīng)歷了長時間非常困難的時期，但始終能堅持穩(wěn)定、逐步的發(fā)展，建成了兩個在發(fā)展中國家最大的、理工結(jié)合的大型現(xiàn)代化專業(yè)研究所，即核工業(yè)總公司所屬的西南物理研究院(SWIP)及中科院所屬的合肥等離子體物理研究所(ASIPP)。為了培養(yǎng)專業(yè)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等離子體物理專業(yè)或研究室。

我國核聚變研究從起步之初，即便規(guī)模很小時，就以在我國實現(xiàn)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，先后建成并運行了小型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(jīng)過進一步升級，有可能進入當前國際上正在運行的少數(shù)幾個中型托卡馬克之列。在這些裝置的成功研制過程中，組建并鍛煉了一批聚變工程隊伍。我國科學家在這些常規(guī)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(jīng)濟實用的商用堆必須是高效、緊湊和穩(wěn)態(tài)運行的。未來商用堆必須是全超導，才能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行1。

HT-7超導托卡馬克中科院等離子體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制出HT-7超導托卡馬克裝置，這是一個可產(chǎn)生長脈沖高溫等離子體的中型聚變研究裝置。它的研制成功，使我國成為繼俄、日、法之后第四個擁有該類裝置的國家，從此為中國的聚變事業(yè)全面走向國際舞臺開拓了一條創(chuàng)新之路。經(jīng)過十多年來科研和工程技術(shù)人員的不斷改進，取得許多創(chuàng)新成果。

HT-7托卡馬克裝置工程始建于1991年初，1994年底建成并投入實驗運行，工程總投資1500萬元人民幣，1997年11月通過中國科學院鑒定?？煽責岷司圩兪亲罱K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。磁約束高溫等離子體是實現(xiàn)這種聚變反應的極重要手段，與常規(guī)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采用了超導磁體，這是建立穩(wěn)態(tài)反應堆的必由之路。等離子體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(fā)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(jīng)費，經(jīng)過重新設計、改造、加工和裝配，在較短的時間內(nèi)，成功地建成了中國第一臺超導托卡馬克裝置(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(wěn)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沖準穩(wěn)態(tài)等離子體物理研究提供了條件，使等離子體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裝置在等離子體控制技術(shù)、低雜波驅(qū)動電流實驗、壁處理技術(shù)、等離子體診斷等幾個方面取得了重大進展2。

EAST超導托卡馬克東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconduct-ing Tokamak，EAST)坐落于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并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沖中型常規(guī)托卡馬克向長脈沖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(shù)，具有與ITER類似的超過1000s的長脈沖高參數(shù)運行能力，是未來10年國際上極少數(shù)有能力在高參數(shù)條件下開展長脈沖聚變等離子體物理和工程技術(shù)研究的實驗平臺。EAST已經(jīng)取得了超過400s的偏濾器位形等離子體以及穩(wěn)定重復的超過30s的長脈沖“高約束?！钡入x子體，創(chuàng)造了新紀錄。EAST致力于解決ITER及未來聚變堆高性能穩(wěn)態(tài)運行相關(guān)的關(guān)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(jù)，并為未來建造穩(wěn)態(tài)、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(shù)和物理基礎3。

為了在近堆芯的高參數(shù)條件下研究等離子體的穩(wěn)態(tài)和先進運行，深入探索實現(xiàn)聚變能源的工程、物理問題，等離子體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”計劃。為使國內(nèi)外專家易于發(fā)音、便于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制的國際首個全超導托卡馬克裝置（右圖），其主要技術(shù)特點和指標是：16個大型“D”形超導縱場磁體將產(chǎn)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(chǎn)生≥100萬安培的等離子體電流；持續(xù)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(nèi)外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統(tǒng)等六大部件組成。其實驗運行需要有大規(guī)模低溫氦制冷、大型高功率脈沖電源及其回路、大型超導體測試、大型計算機控制和數(shù)據(jù)采集處理、兆瓦級低雜波電流驅(qū)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(tǒng)支撐。學科涉及面廣，技術(shù)難度大，許多關(guān)鍵技術(shù)目前在國際上尚無經(jīng)驗借鑒。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(huán)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、制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），而且具有會改善等離子體約束狀況的大拉長非圓截面的等離子體位形，它的建成將使我國成為世界上少數(shù)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。在裝置建成后的10-15年期間，能在裝置上對建造穩(wěn)態(tài)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，并使中國在人類開發(fā)清潔而又無限的核聚變能的領域內(nèi)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(shù)和穩(wěn)態(tài)先進等離子體運行科學問題的重要實驗平臺，它將是在ITER之前國際上最重要的穩(wěn)態(tài)偏濾器托卡馬克物理實驗基地。