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向终极能源不断迈进 中国“人造太阳”核聚变实验装置再获重大突破

中国“人造太阳”EAST装置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。

图片来源:视觉中国

从1950年代至今,科学家们一直梦想着将核聚变所产生的巨大能量转化为清洁、取之不尽的能源来源。人类距离这样的“理想能源”究竟还有多远?科学家们的实验结果表明,难题正不断被突破。

11月2日,据新华社报道,中国科学院合肥物质科学研究院(下称合肥物质研究院)对外宣布,该所承担的国家大科学工程“人造太阳”实验装置EAST,近日在第11轮物理实验中再获重大突破,获得了超过60秒的稳态高约束模等离子体放电。

EAST也因此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。

EAST装置

EAST是中国自行设计、研制的世界上第一个全超导托卡马克装置,由“实验”(Experimental)、“先进”(Advanced)、“超导”(Superconducting)、“托卡马克”(Tokamak)四个单词首字母拼写而成,同时也代表了“东方”的含意。

目前,人类开发核能的途径主要有两条——重元素的裂变和轻元素的聚变。利用核裂变原理,人类已建造了几百个核电站,但对核聚变的利用却因为核聚变具有很强的不可控制性,落后很多。

人类对聚变反应的控制主要是依靠一种环形容器,通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,实现受控核聚变。这种装置被称为托卡马克,名字来源于其的关键词——环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。二十世纪末,科学家们又将新兴的超导技术用于托卡马克装置,产生了超导托卡马克装置。

因为仿造的原理是太阳内部的热核聚变反应,业内将这种装置称为“人造太阳”。

1991年11月,在欧洲联合环型核裂变装置上,成功地进行了首次氘-氚受控核聚变试验,温度达到3亿度,但反应时持续时间却只有2秒,发出了1.8兆瓦电力的聚变能量。

EAST原名为HT-7超导托卡马克装置,于1994年正式提出。2006年,高11米、直径8米、重达400吨的EAST核聚变实验装置成功完成首次工程调试,并于2007年3月通过国家验收,之后实现多次放电。

国际上核聚变实验装置大多仍为常规非超导托卡马克,且等离子体放电持续时间基本都在20秒以下,只有欧盟和日本科学家曾获得最长为60秒的高参数偏滤器等离子体。

国际磁约束聚变资深专家、日本那珂核融合研究所先进等离子体物理研究部主任镰田裕对新华社表示,EAST装置此次获得了超过60秒的稳态高约束模等离子体放电,对未来国际热核实验反应堆(ITER)计划具重要意义。

目前,国际上正在进行一项名为“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”的项目,这相当于EAST装置的放大工程,建造一个更大规模的“人造太阳”。

这一工程涉及包括欧盟、中国、美国、日本、俄罗斯等国在内的七方。中国于2003年加入ITER计划,并将承担ITER装置中137个采购包制造任务的12个,接近总任务量的10%。

在纯射频波加热、钨偏滤器等条件下,实现稳态高约束模等离子体放电,是ITER的基本运行模式之一。

2012年,EAST物理实验曾创造32秒高约束模世界纪录。近年来,EAST相继完成了辅助加热、钨偏滤器、等离子体物理诊断等系统的升级改造,克服了加热与电流驱动、分布参数测量等关键技术难题,深入研究和基本解决了射频波耦合、高约束等离子体稳定性控制、低动量条件下加热和电流驱动下输运等一系列物理问题,为实现长脉冲稳态高约束模等离子体奠定了坚实的基础。

今年1月28日,EAST还成功实现了电子温度超过5000万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。此次EAST团队实验获得的超过60秒的稳态高约束模等离子体放电,不仅在等离子体参数、约束性能和维持时间长度上全面、大幅度超过2012年结果,而且实现了完全的非感应电流驱动(即稳态)。

ITER将采用射频波主导的低动量注入运行模式以及主动水冷的钨偏滤器结构。EAST是目前世界上唯一具备这两大特色的且具有长脉冲运行能力的全超导托卡马克,其稳态运行模式将为ITER和未来核聚变反应堆提供重要参考。

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