被稱為人造太陽的世界首個全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置。
中國科學(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，我國的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置(中文名為東方超環(huán)，簡稱EAST)在全球首次實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，為人類開發(fā)利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
同時，這一里程碑性的重要突破，表明我國磁約束聚變研究在穩(wěn)態(tài)運行的物理和工程方面將繼續(xù)引領(lǐng)國際前沿，對國際熱核聚變試驗堆(ITER)和未來中國聚變工程試驗堆(CFETR)建設(shè)和運行具有重大的科學(xué)意義。
高約束放電時間突破百秒量級，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，是我國第四代核聚變實驗裝置。EAST的建設(shè)目標(biāo)是對受控核聚變相關(guān)的前沿物理問題開展探索性實驗研究，為未來穩(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)原理跟太陽類似，所以也被稱為人造太陽。
經(jīng)過多年研究，科研人員成功攻克了一批國際共性難題，在世界上首次實現(xiàn)了5000萬度等離子體，持續(xù)放電101.2秒的高約束運行，實現(xiàn)了從60秒到百秒量級的跨域。在這過程中，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、低動量條件下加熱和電流驅(qū)動下輸運、雜質(zhì)輸運和控制等問題，為此次實現(xiàn)長脈沖穩(wěn)態(tài)高約束模等離子體奠定了基礎(chǔ)。
EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置實驗運行總負(fù)責(zé)人、中科院等離子體所研究員龔先祖說：“我們面臨的重大挑戰(zhàn)是粒子控制和熱排出問題，解決了這些難題，使得放電脈沖延長到100秒，這是一個新的世界紀(jì)錄，也是EAST一個新的里程碑。”
穩(wěn)態(tài)高約束運行模式是國際熱核聚變實驗堆計劃的基本運行模式，也是未來反應(yīng)堆需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。作為國際重要的長脈沖核聚變實驗平臺，EAST超導(dǎo)托卡馬克高約束放電時間實現(xiàn)百秒量級的突破，將為我國下一代核聚變裝置的建設(shè)和國際核聚變清潔能源的開發(fā)利用奠定堅實基礎(chǔ)。
創(chuàng)下多項世界紀(jì)錄，穩(wěn)態(tài)運行模式將為未來反應(yīng)堆提供重要參考
EAST實驗先后創(chuàng)下多項托卡馬克運行的世界紀(jì)錄：2012年實現(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(穩(wěn)態(tài))高約束模等離子體。EAST的成功建設(shè)和運行獲得國內(nèi)外專家的高度贊譽，“是世界聚變工程的非凡業(yè)績，是世界聚變能開發(fā)的杰出成就和重要里程碑!”《自然》和《科學(xué)》分別評價：“中國創(chuàng)造了聚變歷史”“在這里科學(xué)價值得到極大體現(xiàn)”。
國際熱核聚變實驗堆ITER計劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項目之一，其目標(biāo)是在和平利用聚變能的基礎(chǔ)上，探索聚變在科學(xué)和工程技術(shù)上的可行性。據(jù)介紹，高約束模是ITER的基本運行模式，為實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行并達(dá)到有效的偏濾器熱量排除，ITER將采用射頻波主導(dǎo)的低動量注入運行模式以及主動水冷的鎢偏濾器結(jié)構(gòu)。而EAST是目前世界上唯一具備這兩大特色且具有長脈沖運行能力的全超導(dǎo)托卡馬克，其穩(wěn)態(tài)運行模式將為ITER和未來反應(yīng)堆提供重要參考。
“ITER計劃是人類探尋未來高效清潔能源的重要途徑，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行是未來聚變堆亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。EAST具有ITER類似的先進(jìn)技術(shù)，未來5年內(nèi)將是國際上唯一有能力開展超過百秒時間尺度的長脈沖高約束聚變等離子體物理和工程技術(shù)研究的實驗平臺，為ITER預(yù)演穩(wěn)態(tài)運行也是EAST的重要使命。”龔先祖表示。
如果在民用上能實現(xiàn)可控，將徹底改寫人類的能源版圖
據(jù)龔先祖介紹，中國從上世紀(jì)末在中科院等離子體所的HT—7裝置上開始進(jìn)行長脈沖的等離子體實驗，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間在當(dāng)年的9月26日，主要目標(biāo)就是面向未來聚變堆的穩(wěn)態(tài)運行的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題。
上世紀(jì)50年代開始，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，但是這種核電站存在核廢料的處理、核輻射、核燃料鈾的開采和提料難等問題。相對來說，核聚變具有無可比擬的優(yōu)點：它的原料儲量極其豐富，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)物沒有放射性。同時，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)便會終止。因此聚變?nèi)剂系谋４孢\輸、聚變電站的運行都比較安全。因此，聚變研究對于開發(fā)清潔能源，意義十分重大。此外，伴隨著聚變研究帶來的衍生和伴隨技術(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，都會帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，給民眾生活帶來很大改變。核聚變?nèi)绻诿裼蒙夏軐崿F(xiàn)可控，將徹底改寫人類的能源版圖。
“目前的聚變研究，功率相對來說還是比較低的。未來我們想實現(xiàn)聚變的可行性，需要在更好的加熱功率條件下，來驗證延長等離子體存在時間的科學(xué)可行性。這個挑戰(zhàn)十分巨大，因為聚變產(chǎn)生有一個物理學(xué)說叫勞遜判據(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。
