EAST下一目标：实现1亿度1000秒等离子体
2016-03-02 09:11:07   来源：科学网   评论：0 点击：

近日，我国“人造太阳”EAST物理实验获重大突破：实现电子温度超过5000万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。

作为“全超导托卡马克”核聚变实验装置的EAST，与中、美、俄等7国共同启动的国际热核聚变实验堆ITER一起，都旨在创造一个新的“太阳”，为人类提供源源不断的清洁能源。

如今，EAST团队再次着眼于下一目标：实现1亿度1000秒的等离子体运行，为我国下一代聚变装置——中国聚变工程实验堆（CFETR）的前期研究奠定重要科学基础。

解决核心物理问题

“此次是‘全超导托卡马克’核聚变实验装置的电子温度达到5000万度后，持续时间最长的一次放电，完美地展示了EAST作为超导装置在较高参数下开展稳态实验研究的特长和能力。”中科院等离子体物理所聚变堆总体研究室执行主任高翔告诉《中国科学报》记者。

核聚变离不开聚变堆的稳定运行，而聚变堆是通过氘氚发生受控核聚变反应，从而向外界持续释放能量的新型核聚变反应堆装置。

“聚变堆的稳态运行可不间断地向电网输出稳定的电能，因此‘稳态磁约束聚变’研究对于核聚变反应堆而言具有非常重要的现实意义。”高翔解释说，基于此，在本轮实验中EAST团队的工程技术人员和科学家着重解决了一系列具有关键意义的科学和工程难题，包括长脉冲等离子体磁位形的精确控制、全超导磁体安全运行技术、稳态有效的等离子体加热与非感应电流驱动等。

“目前只有我们的‘全超导托卡马克’可提供稳态环向磁场。”不过高翔也指出，等离子体电流是通过感应电流驱动的，随着放电的持续，装置本身的伏秒数会逐渐消耗殆尽。因此，为了实现稳态运行，还必须引进外加的电流驱动源。

“为此，我们着力解决了‘稳态磁约束’研究中的核心物理问题，‘托卡马克’等离子体放电过程中的非感应电流驱动。”这也为EAST既定的科学目标——实现1亿度1000秒的等离子体运行奠定了基础。

大量难题仍须克服

目前，国际上大部分磁约束聚变实验装置为常规非超导“托卡马克”。高翔指出，EAST装置是我国自主设计研制的国际首个“全超导托卡马克”装置，而全超导和常温铜线圈相比，能长时间运行，更符合未来聚变发电的要求。

据介绍，和目前世界上其他托卡马克装置相比，EAST的最突出特点是世界上第一个“非圆截面全超导”托卡马克。而非圆截面和圆截面相比，拥有更好的等离子体稳定性。

“EAST的主要技术特点是纵场和极向场线圈分别由16个大型‘D’形超导磁体和12个大型极向场磁体组成，能实现多种等离子体放电位形。”高翔介绍说，此外由于EAST采用的是全超导磁体，可实现长脉冲等离子体放电，因此具备开展稳态等离子体放电研究的能力。

由于太阳发生的是核聚变反应，其核心处温度为1500万摄氏度。如果科研人员实现下一步的1亿度放电，产生的温度相当于太阳核心温度6倍多。

但EAST是在一个由普通金属材料包围、体积不到10立方米的空间内，要实现温度为太阳核心温度6倍多的等离子体放电，EAST研究团队还须解决大量的物理和工程技术难题。

除了线圈散热的限制，还有很多其他工程和物理的限制，使“托卡马克”不能长时间运行。而在等离子体温度很高的条件下，实现长脉冲运行的难度也大大增加。

“具体还有电流驱动方式的进一步优化、加热方式与等离子体之间的耦合、多种加热手段的协同加热效率最大化、等离子体不稳定性控制、杂质聚芯问题以及高参数运行时的高热负荷所导致的第一壁材料损伤等难题尚待解决。”高翔说。

为CFETR和ITER奠定基础

此次EAST装置的成功建成和运行，将为我国下一代聚变装置——中国聚变工程实验堆（CFETR）的前期研究奠定重要的科学基础，包括超导线圈设计加工、诊断设计、真空室设计加工以及科技队伍建设等。

如今，EAST的实验运行能力大幅提升，已成为国际上“稳态磁约束”聚变研究的重要实验平台。其研究成果也将为未来国际热核聚变实验堆ITER实现稳态高约束放电提供科学和工程实验支持。

“这一里程碑式的成果，标志着我国在‘稳态磁约束聚变’研究上继续走在国际前列。”高翔告诉记者，我国的下一代聚变装置（CFETR）将会成为衔接ITER与DEMO的桥梁，解决ITER无法解决而未来聚变堆又必须面对的一系列物理和工程技术难题，如氚自持燃烧问题、高辐照环境下的诊断建设问题、增殖包层问题、遥操作等。