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簡(jiǎn)介

編輯 語(yǔ)音

磁約束聚變是指用特殊形態(tài)的磁場(chǎng)把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使它受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，釋放出能量 [1]  。

發(fā)展歷程

編輯 語(yǔ)音

1962年?yáng)|北技術(shù)物理研究所成立后，建成了一臺(tái)Z箍縮裝置、一臺(tái)角向箍縮裝置和一臺(tái)離子源，并開(kāi)展了穩(wěn)態(tài)磁鏡的設(shè)計(jì)。1964-1983年是我國(guó)磁約束聚變研究的調(diào)整期，也是以工程為主的建設(shè)階段。

1966年秋至1970年初，東北技術(shù)物理研究所的受控聚變部和原子能科學(xué)研究院的受控聚變研究室先后遷至四川樂(lè)山，成立了西南物理研究所（現(xiàn)在的核工業(yè)西南物理研究院），建成了仿星器裝置和超導(dǎo)穩(wěn)態(tài)磁鏡裝置。

1969年，中科院物理所建成了一臺(tái)100kJ的角向箍縮裝置，得到了熱核中子，并于1974年建成了我國(guó)第一臺(tái)托克馬克CT-6。后來(lái)CT-6 升級(jí)成為CT-6B，備有兩個(gè)回旋管微波加熱系統(tǒng)，進(jìn)行電子回旋波加熱和電流驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。在CT-6B上還進(jìn)行了反饋控制、阿爾芬波的模轉(zhuǎn)換和交流調(diào)制等實(shí)驗(yàn)。

1972年，中科院在安徽合肥籌建聚變研究基地。

1978年成立中科院等離子體物理研究所。在此期間，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系設(shè)置等離子體物理專(zhuān)業(yè)，并建成一個(gè)小托克馬克裝置—KT-5B，進(jìn)行了阿爾芬波加熱和湍流現(xiàn)象等觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。該裝置后來(lái)改建為KT-5C。

1984年以來(lái)，我國(guó)磁約束聚變研究進(jìn)入以托克馬克實(shí)驗(yàn)為主的階段。中科院等離子體物理研究所的HT-6B、HT-6M和核工業(yè)西南物理研究院的HL-1相繼建成投入運(yùn)行。HT-6M是一臺(tái)空芯變壓器托克馬克，安裝了功率為兆瓦級(jí)的離子回旋共振加熱設(shè)備，進(jìn)行輔助加熱實(shí)驗(yàn)；進(jìn)行了低密度、高電子溫度運(yùn)行，并曾開(kāi)展表面湍流加熱實(shí)驗(yàn)。HT-6B是略小于HT-6M的同類(lèi)型裝置，裝有螺旋繞組，成功地控制了m=2，3的磁擾動(dòng)，并抑制了等離子體的內(nèi)破裂；還進(jìn)行了低雜波驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)等。HL-1是有厚達(dá)5cm的銅殼和鐵芯變壓器的托克馬克。在相近規(guī)模的托克馬克中，它的放電時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)1s，有效電荷數(shù)較低。在這一裝置上，進(jìn)行了高密度、低q放電，并對(duì)磁流體不穩(wěn)定性等進(jìn)行了研究。經(jīng)噴鐵、碳化、硅化，得到了較潔凈的等離子體。使用抽氣孔欄及靜電偏壓，改善了約束態(tài)。并開(kāi)展了冰凍氘丸注入、電子回旋共振加熱和低雜波電流驅(qū)動(dòng)等研究。后來(lái)HL-1改裝成HL-1M，反饋控制取代了厚銅殼，進(jìn)行了彈丸注入和高功率輔助加熱以及高功率非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)下的等離子體研究。

1995年等離子體物理研究所建成HT-7托克馬克裝置，采用超導(dǎo)磁體。

1998年得到長(zhǎng)達(dá)6s的等離子體持續(xù)時(shí)間。

2003年實(shí)驗(yàn)獲得超過(guò)1min的等離子體放電，這是繼法國(guó)之后第二個(gè)能產(chǎn)生分鐘量級(jí)高溫等離子體放電的托克馬克裝置。目前，這一裝置的持續(xù)放電時(shí)間已經(jīng)突破4 min。

2002年12月，HL-2A在核工業(yè)西南物理研究院建成，成為我國(guó)第一個(gè)帶有偏濾器位形的托克馬克裝置，實(shí)現(xiàn)雙零點(diǎn)偏濾器位形，掌握大型托克馬克等離子體密度剖面、溫度剖面、電流密度剖面控制技術(shù)，探索出一條較為先進(jìn)的托克馬克運(yùn)行模式。在HL-2A上最終達(dá)到：產(chǎn)生高溫(離子溫度2-4 keV)、高密度(密度 )和高能量約束時(shí)間(40-150 ms)的等離子體，實(shí)現(xiàn)HL-2A裝置等離子體電流大于400kA的穩(wěn)定放電。

在HT-7的基礎(chǔ)上，中科院等離子體物理研究所設(shè)計(jì)和研制了全超導(dǎo)托克馬克裝置HT--7U（大科學(xué)工程EAST），于2006年初進(jìn)行了首次工程調(diào)試，2006年9月成功放電，獲得電流200kA、時(shí)間接近3s的高溫等離子體放電。EAST是我國(guó)科學(xué)家、工程技術(shù)人員自主設(shè)計(jì)、非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。作為全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克，EAST的規(guī)模比ITER小得多，但等離子體位形及主要的工程技術(shù)基礎(chǔ)相似。因此，在EAST上的實(shí)驗(yàn)研究將從物理基礎(chǔ)、工程技術(shù)基礎(chǔ)和人才培養(yǎng)上，為ITER計(jì)劃做出前期研究貢獻(xiàn)[2]  。

科研機(jī)構(gòu)

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盡管我國(guó)核聚變能研究經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)期的困難，但始終能堅(jiān)持穩(wěn)定、漸進(jìn)的發(fā)展，建成了兩個(gè)理工結(jié)合的專(zhuān)業(yè)研究所，即核工業(yè)集團(tuán)公司所屬的核工業(yè)西南物理研究院及中國(guó)科學(xué)院所屬的等離子體物理研究所。

為了培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才，中國(guó)科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)等高等院校設(shè)了核聚變及等離子體物理專(zhuān)業(yè)或研究室。北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、四川大學(xué)、東華大學(xué)、北京科技大學(xué)等高校的研究人員在托卡馬克等離子體湍流與輸運(yùn)過(guò)程、磁流體不穩(wěn)定性、快粒子物理、波與等離子體相互作用、等離子體與壁相互作用、及聚變堆材料和聚變工程技術(shù)等方面開(kāi)展了研究，培養(yǎng)了一批研究生和年輕研究人員，并取得了有一定影響力的研究成果。

我國(guó)還有許多其它科研院所開(kāi)展了聚變相關(guān)研究。如中國(guó)工程物理研究院、中國(guó)原子能科學(xué)研究院、中國(guó)核電工程有限責(zé)任公司、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院、中科院沈陽(yáng)金屬所、中科院北京自動(dòng)化所、中科院智能機(jī)械研究所、中科院山西煤炭化學(xué)所、中科院電工所、中科院理化所以及西北有色金屬研究院等，在聚變相關(guān)的材料、低溫、智能機(jī)械、超導(dǎo)、氚工藝、核技術(shù)等多方面開(kāi)展了研發(fā)工作。

慣性約束聚變

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現(xiàn)有的可控核聚變約束手段主要有兩種，一種是慣性約束，一種是磁約束。慣性約束是指利用粒子的慣性作用來(lái)約束粒子本身，從而實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的一種方法。其基本思想是:利用驅(qū)動(dòng)器提供的能量使靶丸中的核聚變?nèi)剂?氘、氚)形成等離子體，在這些等離子體粒子由于自身慣性作用還來(lái)不及向四周飛散的極短時(shí)間內(nèi)，通過(guò)向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應(yīng)。該項(xiàng)研究主要在美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF），中國(guó)的神光-Ⅲ主機(jī)裝置 [2]  。

聚變裝置

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九十年代初，中科院等離子體所利用前蘇聯(lián)贈(zèng)送的原價(jià)值約1500萬(wàn)美元的T-7裝置進(jìn)行大幅度改造，使其成為研究性更加先進(jìn)，且更加完善的超導(dǎo)托卡馬克——HT-7。其主要研究目標(biāo)是，獲得并研究長(zhǎng)脈沖或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)高溫等離子體，檢驗(yàn)和發(fā)展與其相關(guān)的工程技術(shù)，為未來(lái)穩(wěn)態(tài)先進(jìn)托卡馬克聚變堆提供工程技術(shù)和物理基礎(chǔ)。

1994年12月至95年3月，HT-7首次成功進(jìn)行了工程聯(lián)調(diào)，94年12月28日得到第一等離子體。1998年國(guó)務(wù)院科教領(lǐng)導(dǎo)小組批準(zhǔn)了國(guó)家“九五”重大科學(xué)工程HT-7U的立項(xiàng)，HT-7也部分承擔(dān)下一代裝置HT-7U的前期實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

HT-7是一個(gè)大型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它包括HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置本體，大型超高真空系統(tǒng)，大型計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，大型高功率脈沖電源及其回路系統(tǒng)，全國(guó)規(guī)模最大的低溫液氦系統(tǒng)，兆瓦級(jí)低雜波電流驅(qū)動(dòng)和射頻波加熱系統(tǒng)，以及數(shù)十種復(fù)雜的診斷測(cè)量系統(tǒng)。幾年來(lái)，HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置經(jīng)過(guò)不斷的改造，已進(jìn)行了十幾輪實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，取得若干科研成果，具有一定的國(guó)際影響力。為實(shí)現(xiàn)HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置的高功率、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，2001年，科研人員對(duì)HT-7的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)項(xiàng)重大改造：

（1）極向場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)供電及控制；

（2）利用釩鋼實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)條件下縱場(chǎng)波紋度的大幅度改善；

（3）1MW穩(wěn)態(tài)低雜波電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；

（4）高性能水冷石墨限制器及粒子排除系統(tǒng)；

（5）新型射頻天饋系統(tǒng)；

（6）海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連續(xù)采集系統(tǒng)；

（7）數(shù)項(xiàng)先進(jìn)等離子體診斷系統(tǒng)。

在物理上，HT-7緊緊圍繞穩(wěn)態(tài)高約束等離子體運(yùn)行這一世界前沿課題展開(kāi)深入研究。為達(dá)到這個(gè)目的所開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)如下：

（1）低雜波電流驅(qū)動(dòng)及改善約束；

（2）離子伯恩斯坦波加熱及改善約束；

（3）邊界湍流及輸運(yùn)研究；

（4）等離子體參數(shù)精細(xì)分布控制；

（5）先進(jìn)壁處理；

（6）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及控制。

隨著物理實(shí)驗(yàn)的不斷深入，2001年冬季實(shí)驗(yàn)又獲重大進(jìn)展，獲得了許多研究成果：

（1）實(shí)現(xiàn)了在低雜波驅(qū)動(dòng)下電子溫度超過(guò)五百萬(wàn)度、中心密度大于、長(zhǎng)達(dá)20秒可重復(fù)的高溫等離子體放電；

（2）實(shí)現(xiàn)大于10秒、電子溫度超過(guò)一千萬(wàn)度、中心密度大于的高參數(shù)等離子體放電，這是世界上第二個(gè)放電長(zhǎng)度達(dá)到1000倍能量約束時(shí)間高參數(shù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)等離子體；

（3）在離子伯恩斯波和低雜波協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)放電脈沖長(zhǎng)度大于100倍能量約束時(shí)間、電子溫度二千萬(wàn)度的高約束穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；

（4）最高電子溫度超過(guò)三千萬(wàn)度。

HT-7超導(dǎo)托卡馬克達(dá)到的主要物理和技術(shù)指標(biāo)為：

（1）等離子體參數(shù)：放電時(shí)間20秒，電子溫度 >3000萬(wàn)度，電子密度 ，等離子體電流240千安；

（2）裝置運(yùn)行參數(shù)：磁場(chǎng)強(qiáng)度2.2特斯拉，本底真空；

（3）低雜波系統(tǒng)指標(biāo)：最大注入功率700千瓦，環(huán)電壓降至0，并向變壓器反充電；

（4）離子回旋波加熱和IBW指標(biāo)：最大注入功率330千瓦,等離子體電子溫度和離子溫度明顯升高；

（5）等離子體和壁相互作用：RF清洗及RF硼化和硅化效果明顯，有效Zeff接近1；

（6）診斷技術(shù)及所達(dá)指標(biāo)：總診斷35種，400多路診斷信號(hào)；

（7）加料技術(shù)：彈丸注入和IBW協(xié)同實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)芯部約束改善；Laval噴嘴實(shí)驗(yàn)已取得初步結(jié)果；

（8）等離子體控制：多變量控制，等離子體電流、位移反饋，實(shí)現(xiàn)等離子體參數(shù)靈活調(diào)節(jié)，較高放電重復(fù)率。

以上指標(biāo)充分說(shuō)明，HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置已步入可進(jìn)行高參數(shù)穩(wěn)態(tài)條件下等離子體物理研究的先進(jìn)裝置行列。

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(jìn)運(yùn)行，深入探索實(shí)現(xiàn)聚變能源的工程、物理問(wèn)題，中科院等離子體物理研究所在建成超導(dǎo)托卡馬克HT-7的基礎(chǔ)上，提出了“HT-7U全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置建設(shè)”計(jì)劃，后更名為EAST。EAST由實(shí)驗(yàn)“Experimental”、先進(jìn)“Advanced”、超導(dǎo)“Superconducting”、托卡馬克“Tokamak”四個(gè)單詞首字母拼寫(xiě)而成，它的中文意思是“先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克”，同時(shí)具有“東方”的含意。

EAST裝置是由我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的全超導(dǎo)托卡馬克裝置，其主要技術(shù)特點(diǎn)和指標(biāo)是：16個(gè)大型“D”形超導(dǎo)縱場(chǎng)磁體將產(chǎn)生縱場(chǎng)強(qiáng)度 ；12個(gè)大型極向場(chǎng)超導(dǎo)磁體可以提供磁通變化 ΔФ ≥ 10 伏秒；通過(guò)這些極向場(chǎng)超導(dǎo)磁體，將能產(chǎn)生 ≥ 100萬(wàn)安培的等離子體電流；持續(xù)時(shí)間將達(dá)到1000秒，在高功率加熱條件下溫度將超過(guò)一億度。

EAST裝置的主機(jī)部分高11米，直徑8米，重400噸，由超高真空室、縱場(chǎng)線圈、極向場(chǎng)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(shí)驗(yàn)運(yùn)行需要有大規(guī)模低溫氦制冷、大型高功率脈沖電源、大型超導(dǎo)體、大型計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理、兆瓦級(jí)低雜波電流驅(qū)動(dòng)和射頻波加熱、大型超高真空、以及多種先進(jìn)診斷測(cè)量等系統(tǒng)支撐。學(xué)科涉及面廣，技術(shù)難度大，許多關(guān)鍵技術(shù)目前在國(guó)際上尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)借鑒。特別是EAST運(yùn)行需要超大電流、超強(qiáng)磁場(chǎng)、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(shè)計(jì)、制造工藝和材料方面提出了極高的要求。

EAST的不僅是一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克，如《托卡馬克示意圖》所示，而且具有會(huì)改善等離子體約束狀況的大拉長(zhǎng)非圓截

面的等離子體位形，它的建成將有效推動(dòng)我國(guó)磁約束核聚變研究發(fā)展。在裝置建成后的10-15年期間，能在裝置上對(duì)建造穩(wěn)態(tài)先進(jìn)的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問(wèn)題開(kāi)展探索性的實(shí)驗(yàn)研究。

EAST的大小半徑雖然只有國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（即ITER）的1/3和1/4，但位形與ITER相似，比ITER早10-15年投入運(yùn)行。EAST是一個(gè)近堆芯高參數(shù)和穩(wěn)態(tài)先進(jìn)等離子體運(yùn)行科學(xué)問(wèn)題的重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它將在ITER之前成為國(guó)際上最重要的穩(wěn)態(tài)偏濾器托卡馬克物理實(shí)驗(yàn)基地 [3]  。