全超导托卡马克核聚变实验装置

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全超导托卡马克核聚变实验装置装置,其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素,通过类似变压器的原理使其产生等离子体,然后提高其密度、温度使其发生聚变反应,反应过程中会产生巨大的能量。2009年,世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置(EAST)首轮物理放电实验取得成功,标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。2016年2月,中国EAST物理实验获重大突破,实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。 [1]  2018年11月12日,从中科院合肥物质科学研究院获悉,EAST近期实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。 [2] 
中文名
全超导托卡马克核聚变实验装置
反应类型
核聚变
类    型
实验装置
2009年
实验首次成功

全超导托卡马克核聚变实验装置基本原理

核能是能源家族的新成员,包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能是重金属元素的核子通过裂变而释放的巨大能量。受控核裂变技术的发展已使裂变能的应用实现了商用化,如核(裂变)电站。裂变需要的等重金属元素在地球上含量稀少,而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料,这些因素限制了裂变能的发展。聚变能是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出的能量。目前开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。其实,人类已经实现了氘氚核聚变--氢弹爆炸,但那是不可控制的瞬间能量释放,人类更需要受控核聚变。维系聚变的燃料是氢的同位素氘和氚,氘在地球的海水中有极其丰富的蕴藏量。经测算,l升海水所含氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几十亿年。特别的,聚变产生的废料为氦气,是清洁和安全的。因此,聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是世界各国尤其是发达国家不遗余力竞相研究、开发聚变能的根本原因。
受控热核聚变能的研究主要有两种--惯性约束核聚变和磁约束核聚变。前者利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变,后者则利用强磁场可很好地约束带电粒子的特性,将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温,实现聚变反应。
托卡马克(Tokamak)是前苏联科学家于20世纪50年代发明的环形磁约束受控核聚变实验装置。经过近半个世纪的努力,在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实,但相关结果都是以短脉冲形式产生的,与实际反应堆的连续运行有较大距离。超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上,是受控热核聚变能研究的一个重大突破。超导托卡马克使磁约束位形能连续稳态运行,是公认的探索和解决未来聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。目前建造超导装置开展聚变研究已成为国际热潮。
托克马克从本质上说是一种脉冲装置,因为等离子体电流是通过感应方式驱动的。但是,存在所谓的“先进托克马克”运行的可能性,即它们可以利用非感应外部驱动和发生在等离子体内的自然的压强驱动电流相结合而实现运行。它们需要仔细地调节压强和约束使之最佳化。在理论和实验上正在研究这种先进托克马克,因为连续运行对聚变功率的产生是最有希望的,其相对小的尺寸导致比类ITER设计更经济的电站。先进超导托克马克实验装置是指装置的环向磁场和极向磁场线圈都是超导材料绕制而成的,它可以大大节省供电功率,长时间维持磁体工作,并且可以得到较高的磁场。
等离子体物理研究所主要从事高温等离子体物理、受控热核聚变技术的研究以及相关高技术的开发研究工作,担负着国家核聚变大科学工程的建设和研究任务,先后建成HT-6B、HT-6M等托卡马克实验装置。1994年底,等离子体所成功地建成我国第一台大型超导托卡马克装置HT-7,使我国进入超导托卡马克研究阶段,研究成果引起了国际聚变界的广泛关注。“九五”国家重大科学工程--大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置EAST计划的实施,标志着我国进入国际大型聚变装置(近堆芯参数条件)的实验研究阶段,表明中国核聚变研究在国际上已占有重要地位。

全超导托卡马克核聚变实验装置装置概况

全超导托卡马克核聚变实验装置HT-7

建设背景
上世纪90年代初,库尔恰托夫研究所所长卡托姆采夫院士致信李正武院士,表示愿意赠送T-7给中国,该信被转交到时任等离子体所所长的霍裕平院士。等离子体所认真分析了国际核聚变发展的趋向,抓住机遇,果断决策,接收了T-7装置,并动员和组织了全所主要的人力、财力和工程技术力量,投入装置的建设。
T-7装置不是简单的引进,而是根据我们的研究和实验要求进行了根本性改造:将原48个纵场线圈合并改造成24个,并重新设计制作了新的真空室,增加了34个新的窗口,大大改善了装置的可接近性。为开展高功率辅助加热和长脉冲运行实验,设计安装了真空室内主动水冷内衬和新的垂直场系统。建成了国内最大的低温液氦系统和大功率电源系统等九个子系统,使一个原本不具备物理实验功能的T-7装置改造成能够开展多种实验的先进装置--中国第一个、世界第四个超导托卡马克HT-7。
发展过程
1990年10月,与俄协议正式生效;1991年3月,HT-7正式立项;1991年6月T-7所有部件运抵等离子体所;1993年国际上12位著名核聚变科学家组成的国际评估小组对HT-7进行评估,称HT-7是“发展中国家最先进的托卡马克装置,并能进行准稳态运行,使中国核聚变研究接近世界核聚变的前沿”;1994年5月HT-7装置建成;同年7月在励磁控制与保护系统、电流引线和氦、氮冷却管路等相关施工完成后,成功地进行了装置低温调试,最大纵场励磁电流超过5 000A;1994年8月该装置由中科院正式立项,纳入国家大科学工程管理; 1994年12月,在完成了极向场控制系统后又进行了首次工程调试,获得首次等离子体;HT-7在解决了包括电流引线在内的一些关键问题后于1995年春成功地进行了工程联调,从此开始了装置的实验运行;1998年获中科院科技进步奖一等奖;
2003年8月获安徽省2003年度科技进步奖一等奖;2004年1月,“可控热核聚变实验研究获重大突破” 被两院院士评选为“2003年度中国十大科技进展”;2003年财政部开始对大科学工程进行绩效资金考评,中科院将HT-7选为京外试点参加首批考评,成绩优秀。

全超导托卡马克核聚变实验装置EAST

在HT-7成功运行的基础上,“九五”国家重大科学工程--大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置HT-7U在1998年立项。
1998年7月国家计委下达投资[1998]1303号文,同意由中科院主持,中科院等离子体物理所承担国家重大科学工程项目“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置” 的建造;2000年10月国家计委下达计投资[2000]1656号文,同意该项目的工程开工建设。为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义,2003年10月HT-7U正式改名为EAST(Experimental and Advanced Superconducting Tokamak)。
EAST工程历经5年多的建设于2006年全面、优质地完成。同年9-10月和2007年1-2月EAST装置进行了两次放电调试,成功获得了稳定、重复和可控的各种磁位形高温等离子体。2007年3月1日EAST项目通过了国家发改委组织的验收。从此,EAST--世界上第一个非圆截面全超导托卡马克正式投入运行。EAST虽然比国际热核聚变试验堆(ITER)小,但位形与之相似且更加灵活。ITER的建设需要10年左右,其间EAST将是国际上极少数可开展与ITER相关的稳态先进等离子体科学和技术问题研究的重要实验平台。它的建成将使我国在人类开发核聚变能的过程中能够做出更多的重大贡献。

全超导托卡马克核聚变实验装置应用学科

HT-7和EAST两大装置,瞄准核聚变能研究前沿,开展稳态、安全、高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理和工程问题的国内外联合实验研究,为核聚变工程试验堆的设计建造提供科学依据,推动等离子体物理学科其他相关学科和技术的发展。
HT-7是一个比较成熟和稳定的实验装置,有比较完善的实验和测量手段,可以开展超长脉冲条件下等离子体与壁相互作用、等离子体稳态控制、等离子体驰豫演化等一系列稳态物理和技术问题,可在高功率密度条件下研究稳定性、输运、先进运行模式等与未来聚变堆密切相关的物理前沿问题。开展一些目前尚未成熟但未来EAST必需的物理和工程技术前期研究。
EAST作为HT-7的升级装置,不仅规模更大,其独有的非圆截面、全超导及主动冷却内部结构三大特性,将更有利于探索等离子体稳态先进运行模式,其工程建设和物理研究可为 ITER项目的建设提供直接经验,并为未来聚变实验堆提供重要的工程和物理实验基础。

全超导托卡马克核聚变实验装置研究成果

全超导托卡马克核聚变实验装置已取得的成果

HT-7装置1995年投入运行,经过多方面的改进和完善,装置运行的整体性能和水平有了很大的提高。13年来,物理实验不断取得重大进展和突破,获得了一系列国际先进或独具特色的成果。
在中心等离子体密度大于2.2×1019/m3条件下,最高电子温度超过5 000万度;获得可重复大于60秒(最长达到63.95秒)、中心电子温度接近500万度、中心密度大于0.8×1019/m3的非感应全波驱动的高温等离子体;成功地实现了306秒的稳态等离子体放电,等离子体电流60kA,中心电子密度0.8×1019/m3,中心电子温度约1 000万度;2008年春季,HT-7超导托卡马克物理实验再次创下新纪录:连续重复实现了长达400秒的等离子体放电,电子温度1 200万度,中心密度0.5×1019/m3。这是目前国际同类装置中时间最长的高温等离子体放电。
同时,还在HT-7上开展了石墨限制器条件下的运行模式、等离子体物理特性和波加热、波驱动高参数等离子体物理特性以及高参数、长脉冲运行模式等世界核聚变前沿课题的研究,出色完成了国家“863”计划和中科院重大课题研究任务。HT-7实验的成功使中国磁约束聚变研究进入世界先进行列,也使HT-7成为世界上(EAST建成之前的)第二个全面开放的、可进行高参数稳态条件下等离子体物理研究的公共实验平台。
EAST在2007年1-2月的第二轮等离子体放电实验中,获得了稳定、可控具有大拉长比的偏滤器位形等离子体放电,最大等离子体电流达0.5MA,在0.2MA等离子体电流下最长放电达9秒,并成功完成了磁体、低温、总控和保护、等离子体控制等多项重要工程测试和物理实验。
2016年2月,中国EAST物理实验获重大突破,成功实现电子温度超过5000万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。这也是截至2016年2月国际托卡马克实验装置上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。标志着中国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列。 [1] 

  2018年11月12日,从中科院合肥物质科学研究院获悉,EAST近期实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破,获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步。 [2] 

全超导托卡马克核聚变实验装置未来发展规划

发展目标:通过15年(2006-2020)的努力,使EAST成为我国磁约束聚变能研究发展战略体系中最重要的知识源头,使我国核聚变能开发技术水平进入世界先进行列。同时,积极参与国际合作,消化、吸收、掌握聚变堆关键科学与技术,锻炼队伍,培养人才,储备技术,使得我国有能力独立设计和建设(或参与国际合作)聚变能示范堆。
HT-7装置是国际上正在运行的(EAST投入正式运行之前)第二大超导托卡马克装置,配合EAST的科学目标开展高温等离子体的稳态运行技术和相关物理问题的研究,其稳态高参数等离子体物理实验结果和工程技术发展对EAST最终科学目标的实现和国际聚变研究都具有重要的直接意义。
EAST的科学研究分三个阶段实施:
第一阶段(3-5年):长脉冲实验平台的建设;第二阶段(约5年):实现其科学目标,为ITER先进运行模式奠定基础;第三阶段(约5年):长脉冲近堆芯下的实验研究。
EAST将对国内外聚变同行全面开放,结合国内外聚变的科学、技术和人才优势,开展磁约束聚变的科学和技术研究,培养国内磁约束聚变人才,为中国聚变能的发展奠定基础。 [3] 
参考资料
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