國家大科學工程「人造太陽」實驗裝置近日再獲重大突破，EAST成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。
近日，全超導托卡馬克裝置東方超環（EAST）第十一輪物理實驗獲重大突破：在純射頻波加熱、鎢偏濾器等類似國際熱核聚變實驗堆ITER未來運行條件下，獲得超過60秒的完全非感應電流驅動（穩態）高約束模等離子體。EAST成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。
全超導托卡馬克核聚變實驗裝置
該研究成果在第26屆國際原子能機構聚變能大會以特邀報告形式進行了發布。國際磁約束聚變資深專家、日本那珂核融合研究所先進等離子體物理研究部主任鐮田裕在聚變能大會總結報告中，高度評價EAST此次實驗成果，認為其對未來國際熱核實驗反應堆(ITER)計劃具重要意義。在純射頻波加熱、鎢偏濾器等條件下，實現穩態高約束模等離子體放電，是ITER的基本運行模式之一。
這是EAST5000萬度、102秒等離子體放電實驗數據圖
2012年EAST物理實驗曾創造32秒高約束模世界紀錄。為進一步發展穩態高約束模，近年來，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的升級改造，克服了加熱與電流驅動、分布參數測量等關鍵技術難題，深入研究和基本解決了射頻波耦合、高約束等離子體穩定性控制、低動量條件下加熱和電流驅動下輸運等一系列物理問題，為實現長脈衝穩態高約束模等離子體奠定了堅實的基礎。研究成果連續5年被《核聚變》評為亮點論文，另有多篇發表在《自然—物理學》《物理評論快報》等期刊。
10月中旬，EAST團隊本輪實驗獲得的超過60秒的穩態高約束模等離子體放電，不僅在等離子體參數、約束性能和維持時間長度上全面、大幅度超過2012年結果，而且實現了完全的非感應電流驅動(即穩態、環電壓為零)。同時實現純射頻波加熱的高約束模加熱模式。此外還取得了實現全程無大幅度邊界局域模，實現等離子體運行軟著陸等重要成果。
全超導托卡馬克核聚變實驗裝置
美、法等國在20世紀80年代中期發起ITER計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產生能量的過程類似，因此受控熱核聚變實驗裝置也被俗稱為「人造太陽」。中國是這一計劃的參與國之一。
EAST是由中國科學家獨立設計建造的世界首個全超導核聚變實驗裝置，於2007年通過國家驗收。它在近年來取得了一系列處於國際領先地位的實驗成果，其科學目標是為ITER計劃和中國未來獨立設計建設運行核聚變堆奠定堅實的科學和技術基礎。
「人造太陽」開始發光
據了解，ITER將採用射頻波主導的低動量注入運行模式以及主動水冷的鎢偏濾器結構。EAST是目前世界上唯一具備這兩大特色的且具有長脈衝運行能力的全超導托卡馬克，其穩態運行模式將為ITER和未來核聚變反應堆提供重要參考。
近年來，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的升級改造，克服了加熱與電流驅動、分布參數測量等關鍵技術難題，深入研究和基本解決了射頻波耦合、高約束等離子體穩定性控制、等離子體與壁相互作用物理、低動量條件下加熱和電流驅動下輸運、雜質輸運和控制等一系列穩態運行密切相關的物理問題，為實現長脈衝穩態高約束模等離子體奠定了堅實的基礎。
核聚變能由於資源豐富和無污染，被科學界認為是最有希望徹底解決能源和環境問題的根本出路之一。中科院專家指出，我國自21世紀初正式參加國際熱核實驗堆ITER計劃後，經過十多年的努力，核聚變科研能力、重要部件製造工藝能力、工程建造能力、大科學工程管理能力等均已達到國際先進水平，具備建設自主產權聚變工程實驗堆的能力。
在開發核聚變能被人們形象地稱為「人造太陽」的路上，中國已從「追趕者」、「並跑者」，成長為具備強大國際輸出能力的「領跑者」。科學家們數十年艱辛「逐日」，就是盼望核聚變能點亮的第一盞燈在中國。
聚變工程實驗堆
核聚變能：清潔無限的能源希望
煤炭、天然氣、石油等化石能源最終將會枯竭，人類未來的命運聚焦在尋找更加持久的清潔能源上，核能成為人們寄予厚望的未來能源之一。
核能分為核裂變能與核聚變能，前者已經被人類利用發電，但核裂變堆多採用鈾、銫等放射性物質作為燃料，這些物質蘊藏有限，還會產生強大的輻射，放射性核廢料的處理也是難題。核聚變能與太陽產生能量的方式相同，都是由原子核聚變放出巨大能量。在地球上，人類也早已實現了核聚變——氫彈爆炸。但氫彈是一種武器，爆炸時會在極短的時間內釋放出極大的能量，從而在一定範圍內產生毀滅性的後果。
如果氫彈的爆炸過程被人為地大大減緩，如果爆炸產生的能量被緩慢而穩定地輸出，轉化為電能，那氫彈就不再是屠戮生靈的武器，而成了澤被百姓的一個能源庫——人造太陽。
「人造太陽」將解決能源危機
因此，人造太陽又被稱為「可控熱核聚變」。科學家們介紹，它的特點是產生過程中輻射可忽略不計，從儲量豐富的海水中提煉氫的同位素氘、氚作為燃料，不會帶來污染物。
據預測，每一升海水中所蘊含的氘如果提取出來，發生完全的聚變反應，能釋放相當於300升汽油燃燒時釋放的能量。以此推算，根據目前世界能源消耗水平和海水存量，核聚變能可供人類使用數億年。
與國際空間站研究、歐洲加速器、人類基因組測序研究等項目一樣，該領域的研究也是一個國際科技合作項目。美、法等國在20世紀80年代中期發起了國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，為人類輸送巨大的清潔能量。中國於2003年加入ITER計劃，成為七方成員之一，承接整個計劃9%左右的採購包任務，並享受全部智慧財產權。位於安徽合肥的中科院等離子體所是這個國際科技合作計劃的國內主要承擔單位。
我國已具研發和建設自主核聚變工程實驗堆能力
「當中國宣稱要用2000萬美元建造全超導核聚變實驗裝置，國際學界沒有人相信。」中國工程院院士李建剛想起十多年前依然記憶猶新。
1998年中國科學院等離子體研究所成立EAST團隊，目標是建設世界首個全超導核聚變實驗裝置EAST，它的中文名字「東方超環」寄予著中國科學界的巨大期望。為此，中科院等離子體所成立了12個研究室，兩個技術支撐中心，攻克裝置建設過程中的一個個攔路虎。
反應堆結構
「是一種精神、一種事業的快樂，支撐起了這些人。」李建剛說：「這個項目如果沒做好，我們覺得愧對整個國家，愧對整個社會。」
2006年9月，中國自主設計建造的世界首個全超導非圓截面核聚變實驗裝置EAST建成，並完成了首次成功放電，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。與國際同類實驗裝置相比，它在當時獲得四項世界「第一」，即使用資金最少、建設速度最快、投入運行最早、運行後獲得等離子放電最快。
中國造出「人造太陽」
EAST在近年來取得了一系列處於國際領先地位的實驗成果，「現在每年上千人次的國外科學家來我們所開展國際合作。而10年以前，都是我們遠赴國外跟人家學習。」中科院等離子體所常務副所長宋雲濤說。
不過，在開發利用核聚變能的漫漫「路途」中，EAST還是一個用於科學實驗的裝置。「經過十多年的努力，我國在科學研究、工程技術、人才培養和管理經驗上已達到國際一流水平，具備以我為主、通過廣泛國際合作，進一步建設本國核聚變工程實驗堆的能力。」中國工程院院士李建剛說。
我國在ITER計劃中承接9%的採購包任務。截至目前，科學家攻克了採購包任務中遇到的所有技術難關。中科院等離子體所副所長宋雲濤介紹，我國交付ITER計劃的採購包部件實現了100%國產化，而且全部一次性100%合格，並按期交付。ITER組織兩任總幹事對中方的評價都是「中國在採購包的研發、生產方面領先於各方」。與此同時，我國自主建造的中科院等離子體所東方超環（EAST）等裝置已使我國可以與國際一流的核聚變實驗室平等交流、對話。
我國承擔ITER任務的一級製造企業總共有20多家，在ITER和國內核聚變實驗裝置建設階段這些企業實現了從無到有、從有到強的工藝和建造技術跨越，不只填補了國內空白，還進入國際領先行列。
從人才培養來看，現在全球各聚變實驗室幾乎都有我國的科研人員。ITER組織中方人員數量在七方成員中僅次於歐盟，占據第二。我國在國際化大科學工程管理方面也完成了積累。在ITER組織及其下屬各個重要機構，中方都有人員擔任過重要職務，發揮著領導作用。
「人造太陽」距離商用還有多遠
ITER計劃於2021年建成，2027年全面開始以氘、氚燃料為主的實驗堆實驗。
試驗堆內景
據了解，在科技部組織下，「中國核聚變工程實驗堆CFETR設計」項目2015年已經完成工程概念設計，這在國際上形成了很大的反響，世界聚變研究已開發國家美國、德國、法國、義大利等都和我國建立了密切的聯繫，全面參與CFETR的聯合設計。俄羅斯同行也表示未來更加深入參與CFETR計劃，一個以我為主的國際合作已現雛形。
CFETR相較於目前在建的ITER，目標是更進一步掌握和完善未來建設商用示範堆所需的工程技術。科學家們認為，建設CFETR需要二十年左右時間，如果它能成功實施將是我國自主設計、研製，以我為主、有廣泛國際參與的重大科學工程項目，將促使我國引領未來世界聚變能研究，為人類科技發展做出更多中國人應有的貢獻。
試驗堆內部
據介紹，核聚變工程實驗堆之後是核聚變示範堆的建設和試運行，大概還需要10到20年的時間，此後真正商用還要有一定的物理運行期。如此算來，核聚變能為人類廣泛造福的時代來臨，估計要到21世紀中葉以後。
「我這一輩子，大約做了將近二十萬次『人造太陽』的實驗，有將近四萬次失敗了。這是一個非常漫長的過程。儘管目前我們在核聚變實驗裝置上實現了一百秒放電，但離一千秒、一萬秒，離無限量商用還很遠，但是我們會一直往下走。」55歲的李建剛院士說，「我的夢想就是在有生之年，有一盞燈泡被核聚變能點亮，這一盞燈泡一定要在中國！」
文章來源: https://www.twgreatdaily.com/cat90/node1328022
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